higroscopia

Fenómeno de atracción y retención de moléculas de agua.

La higroscopia es el fenómeno de atraer y retener moléculas de agua mediante absorción o adsorción del entorno circundante , que suele estar a temperatura normal o ambiente. Si las moléculas de agua quedan suspendidas entre las moléculas de la sustancia, las sustancias adsorbentes pueden cambiar físicamente, por ejemplo, cambiando de volumen, punto de ebullición , viscosidad o alguna otra característica o propiedad física de la sustancia. Por ejemplo, un polvo higroscópico finamente disperso, tal como una sal, puede volverse grumoso con el tiempo debido a la acumulación de humedad del entorno circundante.

Los materiales delicuescentes son suficientemente higroscópicos como para absorber tanta agua que se vuelven líquidos y forman una solución acuosa .

La higroscopia es esencial para que muchas especies de plantas y animales logren hidratación, nutrición, reproducción y/o dispersión de semillas . La evolución biológica creó soluciones higroscópicas para la recolección de agua, la resistencia a la tracción de los filamentos, la unión y el movimiento pasivo; soluciones naturales que se están considerando en la biomimética futura . ^{[1] [2]}

Etimología y pronunciación

La palabra higroscopia ( / h aɪ ˈ ɡ r ɒ s k ə p i / ) utiliza formas combinadas de higro y -scopia . A diferencia de cualquier otra palabra -scopy , ya no se refiere a un modo de visualización o de imagen. Comenzó así, con la palabra higroscopio refiriéndose en la década de 1790 a los dispositivos de medición del nivel de humedad. Estos higroscopios utilizaban materiales, como ciertos pelos de animales, que cambiaban apreciablemente de forma y tamaño cuando se humedecían. Se decía entonces que estos materiales eran higroscópicos porque eran adecuados para fabricar un higroscopio. Con el tiempo, la palabra higroscopio dejó de usarse para cualquier instrumento de este tipo en el uso moderno , pero la palabra higroscópico (que tiende a retener la humedad) siguió viva y, por tanto, también higroscopia (la capacidad de hacerlo). Hoy en día un instrumento para medir la humedad se llama higrómetro ( hygro -+- meter ).

Historia

La literatura temprana sobre higroscopia comenzó alrededor de 1880. ^[3] Los estudios de Victor Jodin ( Annales Agronomiques , octubre de 1897) se centraron en las propiedades biológicas de la higroscopicidad. ^[4] Observó que las semillas de guisantes, tanto vivas como muertas (sin capacidad germinativa), respondían de manera similar a la humedad atmosférica, aumentando o disminuyendo su peso en relación con la variación higrométrica.

Marcelino Berthelot veía la higroscopicidad desde el punto de vista físico, un proceso fisicoquímico. El principio de reversibilidad de Berthelot, brevemente: que el agua secada del tejido vegetal podía restaurarse higroscópicamente, se publicó en "Recherches sur la desiccation des plantes et des tejidos végétaux; conditiones d'équilibre et de réversibilité" ( Annales de Chimie et de Physique , Abril de 1903). ^[4]

Léo Errera vio la higroscopicidad desde la perspectiva del físico y del químico. ^[4] Sus memorias "Sur l'Hygroscopicité comme cause de l'action psychologique à Distance" ( Recueil de l'lnstitut Botanique Léo Errera, Université de Bruxelles , tomo vi., 1906) proporcionaron una definición de higroscopia que sigue siendo válida hasta el día de hoy. . La higroscopia se "exhibe en el sentido más amplio, como se muestra

1. en la condensación del vapor de agua del aire sobre la superficie fría de un vaso;
2. en la capilaridad del cabello, lana, algodón, virutas de madera, etc.;
3. en la imbibición de agua del aire por la gelatina;
4. en la delicuescencia de la sal común;
5. en la absorción de agua del aire por ácido sulfúrico concentrado;
6. en el comportamiento de la cal viva". ^[4]

Descripción general

Aparato para la determinación de la higroscopicidad de fertilizantes, Laboratorio de Investigación de Nitrógeno Fijo, c. 1930

Las sustancias higroscópicas incluyen fibras de celulosa (como algodón y papel), azúcar , caramelo , miel , glicerol , etanol , madera , metanol , ácido sulfúrico , muchos fertilizantes químicos, muchas sales (como cloruro de calcio, bases como hidróxido de sodio, etc.) y una amplia variedad de otras sustancias. ^[5]

Si un compuesto se disuelve en agua, entonces se considera hidrófilo . ^[6]

El cloruro de zinc y el cloruro de calcio , así como el hidróxido de potasio y el hidróxido de sodio (y muchas sales diferentes ), son tan higroscópicos que se disuelven fácilmente en el agua que absorben: esta propiedad se llama delicuescencia. El ácido sulfúrico no sólo es higroscópico en forma concentrada, sino que sus soluciones son higroscópicas hasta concentraciones del 10% v/vo inferiores. Un material higroscópico tenderá a humedecerse y endurecerse cuando se exponga al aire húmedo (como la sal dentro de los saleros durante el clima húmedo).

Debido a su afinidad por la humedad atmosférica , los materiales higroscópicos deseables pueden requerir almacenamiento en contenedores sellados. Algunos materiales higroscópicos, por ejemplo, la sal marina y los sulfatos, se encuentran naturalmente en la atmósfera y sirven como semillas de nubes , núcleos de condensación de nubes (CCN). Al ser higroscópicas, sus partículas microscópicas proporcionan una superficie atractiva para que el vapor de humedad se condense y forme gotas. Los esfuerzos humanos modernos por sembrar nubes comenzaron en 1946. ^[7]

Cuando se agregan a alimentos u otros materiales con el propósito expreso de mantener el contenido de humedad , los materiales higroscópicos se conocen como humectantes .

Los materiales y compuestos exhiben diferentes propiedades higroscópicas, y esta diferencia puede provocar efectos perjudiciales, como la concentración de tensiones en los materiales compuestos . El volumen de un material o compuesto particular se ve afectado por la humedad ambiental y puede considerarse su coeficiente de expansión higroscópica (CHE) (también conocido como CME, o coeficiente de expansión de humedad) o el coeficiente de contracción higroscópica (CHC): la diferencia entre los dos términos hay una diferencia en la convención de signos.

Se pueden observar diferencias en la higroscopia en las cubiertas de libros de bolsillo laminadas con plástico; a menudo, en un ambiente repentinamente húmedo, la cubierta del libro se separa del resto del libro. El lado sin laminar de la cubierta absorbe más humedad que el lado laminado y aumenta su área, provocando una tensión que curva la cubierta hacia el lado laminado. Esto es similar a la función de la tira bimetálica de un termostato . Los higrómetros económicos de tipo dial utilizan este principio mediante una tira enrollada. La delicuescencia es el proceso por el cual una sustancia absorbe humedad de la atmósfera hasta que se disuelve en el agua absorbida y forma una solución. La delicuescencia ocurre cuando la presión de vapor de la solución que se forma es menor que la presión parcial del vapor de agua en el aire.

Si bien aquí actúan algunas fuerzas similares, es diferente de la atracción capilar , un proceso en el que el vidrio u otras sustancias sólidas atraen agua, pero no cambian en el proceso (por ejemplo, las moléculas de agua no quedan suspendidas entre las moléculas de vidrio).

Delicuescencia

La delicuescencia, como la higroscopia, también se caracteriza por una fuerte afinidad por el agua y una tendencia a absorber humedad de la atmósfera si se expone a ella. Sin embargo, a diferencia de la higroscopia, la delicuescencia implica absorber suficiente agua para formar una solución acuosa . La mayoría de los materiales delicuescentes son sales , incluyendo cloruro de calcio , cloruro de magnesio , cloruro de zinc , cloruro férrico , carnalita , carbonato de potasio , fosfato de potasio , citrato férrico de amonio , nitrato de amonio , hidróxido de potasio e hidróxido de sodio . Debido a su muy alta afinidad por el agua, estas sustancias se utilizan a menudo como desecantes , lo que también es una aplicación para los ácidos sulfúrico y fosfórico concentrados . Algunos compuestos delicuescentes se utilizan en la industria química para eliminar el agua producida por reacciones químicas (ver tubo de secado ). ^[8]

Biología

La higroscopia aparece tanto en el reino vegetal como en el animal, beneficiándose este último a través de la hidratación y la nutrición. Algunas especies de anfibios secretan un moco higroscópico que capta la humedad del aire. Las arañas constructoras de telarañas producen secreciones higroscópicas que preservan la pegajosidad y la fuerza de adhesión de sus telas. Una especie de reptil acuático es capaz de viajar más allá de las limitaciones acuáticas, hacia la tierra, debido a su tegumento higroscópico .

Las plantas se benefician de la higroscopia a través de la hidratación ^[1] y la reproducción, como lo demuestran ejemplos de evolución convergente . ^[2] El movimiento higroscópico (movimiento activado higrométricamente) es integral en la fertilización, liberación de semillas/esporas, dispersión y germinación. La frase "movimiento higroscópico" se originó en las " Vorlesungen Über Pflanzenphysiologie " de 1904 , traducidas en 1907 como "Conferencias sobre fisiología vegetal" ( Ludwig Jost y RJ Harvey Gibson , Oxford, 1907). ^[9] Cuando el movimiento se vuelve a mayor escala, los tejidos vegetales afectados se denominan coloquialmente higromorfos. ^[10] La higromorfia es un mecanismo común de dispersión de semillas, ya que el movimiento de los tejidos muertos responde a la variación higrométrica, ^[11] por ejemplo, la liberación de esporas de los márgenes fértiles de Onoclea sensibilis . El movimiento ocurre cuando el tejido vegetal madura, muere y se seca, las paredes celulares se secan y se encogen; ^[12] y también cuando la humedad rehidrata el tejido vegetal, las paredes celulares se agrandan y se expanden. ^[11] La dirección de la fuerza resultante depende de la arquitectura del tejido y es capaz de producir movimientos de flexión, torsión o enrollamiento.

Ejemplos de hidratación higroscópica

• 
  Planta de aire ( Tillandsia bulbosa )
• 
  La serpiente de archivo acuática ( A. granulatus ) con piel higroscópica, mostrada fuera del agua.
• 
  Una araña tejedora de orbes ( Larinioides cornutus ) con hilos de captura recubiertos higroscópicos
• 
  Rana mono cerosa ( Phyllomedusa sauvagii )

• Las plantas aéreas, una especie de Tillandsia , son epífitas que utilizan sus raíces degeneradas y no nutritivas para anclarse en rocas u otras plantas. Las hojas higroscópicas absorben la humedad necesaria de la humedad del aire. Las moléculas de agua recolectadas se transportan desde la superficie de las hojas a una red de almacenamiento interna mediante presión osmótica con capacidad suficiente para las necesidades de crecimiento de la planta. ^[1]
• La culebra de lima ( Acrochordus granulatus ), de una familia conocida como completamente acuática, tiene una piel higroscópica que le sirve como depósito de agua, retardando la desecación, permitiéndole viajar fuera del agua. ^[13]
• Otro ejemplo es la seda pegajosa que se encuentra en las telas de araña, por ejemplo de la araña tejedora ( Larinioides cornutus ). Esta araña, como es habitual, cubre sus hilos con un hidrogel de fabricación propia , una mezcla agregada de glicoproteínas, compuestos orgánicos e inorgánicos de bajo peso molecular (LMMC) y agua. ^[14] Los LMMC son higroscópicos, al igual que el pegamento, y sus propiedades de absorción de humedad utilizan la humedad ambiental para mantener la seda de captura suave y pegajosa.
• La rana arborícola mono cerosa ( Phyllomedusa sauvagii ) y la rana arborícola verde australiana ( Litoria caerulea ) se benefician de dos procesos de hidratación habilitados higroscópicamente; absorción transcutánea de condensación en la piel ^[15] y reducción de la pérdida de agua por evaporación ^[16] debido a la barrera de la película de agua condensada que cubre la piel. El volumen de condensación se ve aumentado por las secreciones higroscópicas que limpian a través de su piel granular. ^[15]
• Algunos sapos utilizan secreciones higroscópicas para reducir la pérdida de agua por evaporación, Anaxyrus sp. siendo un ejemplo. La secreción venenosa de su glándula parotoides también incluye glucosaminoglicanos higroscópicos . Cuando el sapo limpia esta secreción protectora de su cuerpo, su piel se humedece con la humedad ambiental circundante, lo que se considera una ayuda en el equilibrio hídrico. ^[dieciséis]

  

  Semillas de Trifolium pratense (trébol rojo) junto a una moneda de diez centavos estadounidense a modo de escala.

Saguaro ( Carnegiea gigantea ) fruto con semillas higroscópicas que absorben la humedad

• El trébol rojo y blanco ( Trifolium pratense ) y ( Trifolium repens ), el altramuz amarillo ( Lupinus arboreus ) y varios miembros de la familia de las leguminosas tienen una válvula hiliar higroscópica (hilio) que controla los niveles de humedad del embrión de la semilla. ^[17] El saguaro ( Carnegiea gigantea ), otra especie de eudicotiledóneas , también tiene semillas higroscópicas que absorben hasta un 20% de humedad atmosférica, en peso. ^[18] Funcionalmente, la válvula hiliar permite que el vapor de agua entre o salga para garantizar la viabilidad, mientras bloquea el agua líquida. Sin embargo, si los niveles de humedad aumentan gradualmente hasta un nivel lo suficientemente alto, la válvula hiliar permanece abierta, permitiendo el paso del agua líquida para la germinación. ^[17] Fisiológicamente, las epidermis internas y externas tienen control independiente de la válvula hiliar. La epidermis externa tiene células en forma de columna, dispuestas anularmente alrededor del hilio. Estas células de contraempalizada, al ser higroscópicas, responden a la humedad externa hinchándose y cerrando la válvula hiliar durante la humedad alta, evitando la absorción de agua hacia la semilla. De manera reversible, se arrugan, abriendo la válvula cuando hay poca humedad, permitiendo que la semilla expulse el exceso de humedad. La epidermis interna, dentro del tegumento impermeable de la semilla, tiene células de epidermis en empalizada, una segunda capa higroscópica dispuesta de forma anular en sintonía con el nivel de humedad del embrión. Existe una tensión de humedad entre las celdas de empalizada internas y externas. Para que el hilio se cierre, esta humedad debe exceder un nivel mínimo (14-25% para estas especies). ^[19] Mientras la válvula hiliar está abierta (es decir, baja humedad exterior), si la humedad aumenta repentinamente, la tensión de la humedad alcanza ese umbral protector y el hilio se cierra, impidiendo que entre humedad (agua líquida). Sin embargo, si la humedad exterior aumenta gradualmente, lo que implica condiciones de crecimiento adecuadas, el nivel de tensión de humedad no excede inmediatamente el umbral, manteniendo el hilio abierto y permitiendo la entrada gradual de humedad necesaria para la imbibición . ^[17]

Ejemplos de propagación asistida por higroscopia

Típicos del movimiento higroscópico son los tejidos vegetales con "células de paredes gruesas, largas (columnares) paralelas y muy compactas (que) responden expandiéndose longitudinalmente cuando se exponen a la humedad y encogiéndose cuando se secan (Reyssat et al., 2009)". ^[10] La orientación de las células, la estructura del patrón (anular, plana, bicapa o tricapa) y los efectos de la orientación de las células de la superficie opuesta controlan la reacción higroscópica. Las encapsulaciones de semillas que responden a la humedad dependen de que las válvulas se abran cuando se exponen a la humedad o al secado; Las estructuras de tejido discontinuas proporcionan dichos puntos de rotura predeterminados (suturas), a menudo implementados mediante un espesor reducido de la pared celular o costuras dentro de estructuras de dos o tres capas. ^[2] Las distribuciones graduadas que varían en densidad y/o orientación celular enfocan el movimiento higroscópico, frecuentemente observado como actuadores biológicos (una función de bisagra); ej., las piñas ( Pinus spp. ), la planta del hielo ( Aizoaceae spp. ) y la arista del trigo ( Triticum spp. ), ^[20] que se describen a continuación.

Ilustración botánica, Xerochrysum (Helichrysum) bracteatum ; No.1- Capitulum [brácteas, floretes, estambres]

• Las matrices de células higroscópicas de dos capas actúan como bisagra del capítulo en algunas plantas, siendo ejemplos Xerochrysum bracteatum y Syngonanthus elegans . La curvatura higroscópica de las brácteas involucrales que rodean un capítulo contribuye a la protección y polinización de las flores ^[21] y ayuda a la dispersión protegiendo los delicados filamentos de los papilos del enredo o la destrucción por precipitación, ^[22] por ejemplo, Taraxacum (dientes de león). En la naturaleza estas brácteas involucrales tienen un ritmo diurno . El verticilo de brácteas higroscópicas se dobla hacia afuera exponiendo el capítulo (ver ilustración) durante el día, luego hacia adentro, cerrándolo por la noche, a medida que la humedad relativa cambia en respuesta al cambio diario de temperatura. Las brácteas son aterradoras , la bisagra y la hoja están compuestas exclusivamente de células muertas (Nishikawa et al., 2008), lo que permite que las brácteas activadas higroscópicamente funcionen desde la floración hasta la dispersión del aquenio. ^[21] Fisiológicamente, la sección inferior de la bráctea es la fuente de la función tipo bisagra, que consiste en tejido abaxial (pétalo interno) similar a un esclerénquima, parénquima y epidermis adaxial (tejido del pétalo externo). ^[21] La composición de la pared celular de las brácteas es bastante uniforme, pero sus células cambian gradualmente de orientación. La curvatura higroscópica de la bráctea se debe a las diferentes orientaciones celulares de sus epidermis internas y externas, lo que provoca gradientes de fuerza adaxial-abaxial entre lados opuestos que cambian con la humedad; así, la fuerza higrométrica agregada, al unísono, controla la apertura y el cierre repetitivos del capítulo.
• Algunos árboles y arbustos en regiones propensas a incendios desarrollaron una dispersión higroscópica de dos etapas; una habilitación termosensible inicial (calor extremo o fuego), luego una liberación de semillas serotinosa higrosensible. Algunos ejemplos son los frutos leñosos de Myrtaceae (por ejemplo, Eucalyptus sp. plurimae, Melaleuca spp. ) y Proteaceae (por ejemplo, Hakea spp., Banksia spp., Xylomelum spp. ) y los conos leñosos de Pinaceae (por ejemplo, Pinus spp. ) y la familia de los cipreses ( Cupressaceae ), por ejemplo, la secuoya gigante ( Sequoiadendron giganteum )). ^{[2] [23] En el pino torcido (} Pinus contorta ), el eucalipto y la Banksia son típicas las encapsulaciones de semillas selladas con resina que requieren el calor del fuego para derretir físicamente la resina, lo que permite la liberación de semillas serotinosas . ^[24] Estas encapsulaciones de semillas pueden "reducir la pérdida o el daño de semillas causado por granívoros , la desecación y el fuego (Moya et al., 2008; Talluto & Benkman, 2014; Lamont et al., 2016, 2020)". ^[2] La similitud de las técnicas de dispersión en dos etapas entre diferentes clados, angiospermas y gimnospermas , puede interpretarse como resultado de una evolución convergente (por ejemplo, Clarke et al., 2013). ^[2]

  

  Cono de Banksia Attenuata con folículos abiertos

  • Banksia attenuata , típica de Banksia spp. , tiene un folículo portador de semillas compuesto por una red de células higroscópicas de dos capas. El folículo leñoso es termosensible y luego higrosensible; humedad serotinosa abriendo la sutura ventral y exponiendo la semilla cuando las condiciones de germinación son favorables. ^[23] Fisiológicamente, las válvulas foliculares sensibles al calor de Banksia spp. están sellados por una capa de cera (resina), liberada por las altas temperaturas ambientales (fuego), "facilitando así la apertura (p. ej., Huss et al., 2018)". ^[2] El mesocarpio del folículo consta de haces de fibras ramificadas de alta densidad; el endocarpio, fibras paralelas de baja densidad. Una sutura es causada por movimientos higroscópicos diferenciales entre capas, y sus estructuras de microfibrillas tienen una gran disparidad de ángulos (ángulo de microfibrillas (MFA) γ = 75–90 °). ^[2]
  • Las escamas de las piñas ( pinaceae spp. ) emplean una bisagra higromorfa para liberar las semillas. La fisiología implica una estructura de dos capas de células largas, paralelas y de paredes gruesas muy juntas. Las alineaciones de las fibras dentro de las capas no son uniformes y varían longitudinalmente, lo que produce diferentes ángulos de microfibrillas (MFA) de 30° y 74° entre capas a lo largo de la escala. ^[23] La región de mayor AFM, el nudillo de bisagra, es una región pequeña cerca de la unión de la escama y la nervadura central (tallo central). ^[10] En las piñas maduras, la capa exterior de escamas es el tejido controlador, y sus células largas y de paredes gruesas responden longitudinalmente a la humedad ambiental. La distorsión se produce en la región de los nudillos cuando el movimiento de la capa externa supera al de la capa interna de escamas, más pasiva, lo que obliga a la escama a doblarse o flexionarse. El resto de la escala es higroscópicamente pasivo, aunque amplifica el desplazamiento del ápice en longitud y geométricamente; ^[10] por ejemplo, doblar la báscula para cerrarla con hidratación o flexionarla para abrirla con semillas que liberan la deshidratación.

    

    Taraxacum officinale capitulum y aquenio [semilla-pico-placa apical-papus]

• Las plantas con flores de la familia Asteraceae tienen una dispersión influenciada higroscópicamente, coordinando la anemocoria (dispersión por el viento) con condiciones ambientales favorables, ^[25] común en A. géneros Erigeron , Leontodon , Senecio , Sonchus y Taraxacum . ^[26] Por ejemplo, el vilano del aquenio diente de león común que permite el vuelo sufre una transformación binaria (abierta o cerrada) de sus filamentos en forma de bigotes, al unísono con respuestas a coro de los aquenios restantes. El movimiento del Pappus se controla mediante un actuador higroscópico en la placa apical, en la parte superior del pico, el lugar donde se encuentran todos los filamentos del aquenio. La alta humedad hace que cada vilano se cierre, contrayendo su estructura de patrón radial, reduciendo su área y la probabilidad de dispersión de la corriente del viento. ^[25] Para cualquier aquenio que se libere, la dinámica de vuelo del vilano reducido limita drásticamente el rango de dispersión. ^[25] La capacidad de respuesta del actuador higroscópico a los cambios en la humedad relativa (RH) es predecible y repetible; por ejemplo, los papilos de centaurea imperialis permanecen cerrados a ≥ 78% de humedad relativa y se abren completamente a ≤ 75% de humedad relativa. ^[22] Durante condiciones más favorables de menor humedad, los pappi se expanden completamente y la alocoría de la corriente del viento se reactiva.

  

  Vainas de semillas de árbol de orquídea ( Bauhinia variegata )

• El árbol de orquídeas ( Bauhinia variegata ) depende de la torsión higrorresponsiva para su dispersión. Su vaina contiene dos capas de fibras de esclerénquima higroscópicas , casi ortogonales, que se unen en las válvulas. Durante la dehiscencia, el gran ángulo de microfibrillas de 90° entre las capas del endocarpio , ^[23] combinado con la contracción de ambos lados, da como resultado pares helicoidales opuestos ^[2] que fuerzan una sutura en el punto más débil, las válvulas de la caja de semillas; su apertura libera semillas. ^[21]

  

  Ruschia sp. ( Aizoaceae ) flores y cápsulas de semillas de múltiples etapas.

• Algunas plantas sincronizan la apertura de su cápsula de semillas maduras con la lluvia activa: higrochasia. Esta técnica de dispersión se observa con frecuencia en las regiones áridas del sur y este de África, el desierto israelí, partes de América del Norte y Somalia, y se cree que evolucionó para ofrecer mayores tasas de supervivencia en entornos áridos. ^[27] La ​​higrochasia se asocia comúnmente con la familia Aizoaceae spp. , la planta de hielo, ya que > 98% de sus especies utilizan la dehiscencia post-humectación ; dicha dispersión también se observa en la familia Plantaginaceae con la Verónica alpina de Nueva Zelanda, que evolucionó en los últimos 9 millones de años. ^[27] Todas las cápsulas de semillas tienen en común quillas (válvulas) higroscópicas triangulares dispuestas circunferencialmente que cubren sus semillas. Estas válvulas protectoras se abren mecánicamente sólo cuando se hidratan con agua líquida. ^[28] Cada quilla (cinco para Delosperma nakurense (Engl.) Herre ) está compuesta de tejido reticular celulósico que se hincha con la hidratación y se abre en cuestión de minutos. Las células agrandadas obligan a enderezar un pliegue desecado inherente en la quilla, la bisagra higroscópica, cerca de la unión de la quilla con el perímetro de la cápsula. Completamente abierta, la quilla gira más de 150°, ^[28] hacia arriba y luego hacia atrás, dejando al descubierto los compartimentos de semillas, uno debajo de cada válvula, separados por septos , todos descansando sobre el piso de la cápsula. Las semillas son visibles, pero restringidas por el anillo en forma de copa creado por las quillas circundantes. El requisito final para la dispersión es la lluvia, o suficiente humedad, para expulsar las semillas de esta barrera, coloquialmente denominada copa de salpicadura. ^[27] La ​​semilla que se desborda o salpica de la copa se dispersa al suelo cercano. Cualquier semilla restante se conservará cuando las quillas se sequen, se encojan higroscópicamente y restablezcan su estado natural plegado y cerrado. El proceso higromórfico es reversible, repetible; semillas descuidadas que tienen una oportunidad de dispersión posterior a través de lluvias futuras.

  

  Aquenios de pico de cigüeña común ( Erodium cicutarium ) con aristas enrolladas

  

  Brotes de aguja e hilo ( Hesperostipa comata )

• Las semillas de algunas hierbas y pastos con flores tienen apéndices higroscópicos (aristas) que se doblan con los cambios de humedad, lo que les permite dispersarse por el suelo, lo que se denomina herpócoria . La arista empujará (o girará) cuando se suelte la semilla y su movimiento dependerá de la fisiología de la planta. Los cambios higrométricos posteriores hacen que los movimientos se repitan, empujando (o girando), empujando la semilla hacia el suelo. ^[20]

  Dos familias de angiospermas tienen métodos de dispersión similares, aunque el método de implementación varía dentro de la familia: ejemplos de la familia Geraniaceae son el pico de cigüeña común ( Erodium cicutarium ) y los geranios ( Pelargonium sp. ); Familia de las poáceas , el hilo y la aguja ( Hesperostipa comata ) y el trigo ( Triticum spp. ). Todos se basan en una fisiología celular higroscópica de fibras paralelas de dos capas para controlar el movimiento de la arista para la dispersión y el autoentierro de las semillas. ^[2] La alineación de las fibrillas de celulosa en la pared celular controladora de la arista determina la dirección del movimiento. Si las alineaciones de fibras están inclinadas, venación no paralela, se desarrolla una hélice y el movimiento de la arista se convierte en torsión (enrollamiento) en lugar de curvatura; ^[21] por ejemplo, el enrollamiento se produce en las aristas de Erodium , ^[2] y Hesperostipa . ^[29]

• Algunas plantas utilizan movimientos higroscópicos para Ballochory (autodispersión), balistas activos que expulsan a la fuerza sus semillas; por ejemplo, especies de geranio, violeta, acedera, hamamelis, no me toques (Impatiens) y acanto. Según se informa , la rotura de la vaina de la semilla de Bauhinia purpurea impulsa su semilla hasta una distancia de 15 metros. ^[30]

Propiedades de ingeniería

Cualidades higroscópicas de diversos materiales ilustradas en forma de gráfico; humedad relativa en el eje X y contenido de humedad en el eje Y.

La higroscopicidad es un término general utilizado para describir la capacidad de un material para absorber la humedad del medio ambiente. ^[31] No existe una definición cuantitativa estándar de higroscopicidad, por lo que generalmente la calificación de higroscópico y no higroscópico se determina caso por caso. Por ejemplo, los productos farmacéuticos que captan más del 5% en masa, entre 40 y 90% de humedad relativa a 25 °C, se describen como higroscópicos, mientras que los materiales que captan menos del 1%, en las mismas condiciones, se consideran no higroscópicos. higroscópico. ^[32]

La cantidad de humedad retenida por los materiales higroscópicos suele ser proporcional a la humedad relativa. Las tablas que contienen esta información se pueden encontrar en muchos manuales de ingeniería y también están disponibles en proveedores de diversos materiales y productos químicos.

La higroscopia también juega un papel importante en la ingeniería de materiales plásticos. Algunos plásticos, por ejemplo el nailon , son higroscópicos mientras que otros no lo son.

Polímeros

Muchos polímeros de ingeniería son higroscópicos, incluidos el nailon , el ABS , el policarbonato , la celulosa , la carboximetilcelulosa y el poli(metacrilato de metilo) (PMMA, plexiglás , metacrilato ).

Otros polímeros, como el polietileno y el poliestireno , normalmente no absorben mucha humedad, pero pueden transportar una cantidad significativa de humedad en su superficie cuando se exponen al agua líquida. ^[33]

El nailon tipo 6 (una poliamida ) puede absorber hasta el 9,5% de su peso en humedad. ^[34]

Aplicaciones en repostería

El uso de las propiedades higroscópicas de diferentes sustancias en la cocción se utiliza a menudo para lograr diferencias en el contenido de humedad y, por tanto, una textura crujiente. Se utilizan diferentes variedades de azúcares en diferentes cantidades para producir una galleta crujiente y crujiente (inglés británico: galleta) en comparación con un pastel suave y masticable. Azúcares como la miel , el azúcar moreno y la melaza son ejemplos de edulcorantes que se utilizan para crear pasteles más húmedos y masticables. ^[35]

Investigación

Se han demostrado varios enfoques higroscópicos para recolectar la humedad atmosférica y requieren un mayor desarrollo para evaluar su potencial como fuente de agua viable.

• Los experimentos con recolección de niebla, en entornos seleccionados, duplicaron las superficies hidrófilas y la humectación de la superficie higroscópica observadas en la hidratación de las ranas arborícolas ( biomimetismo ). Las optimizaciones de materiales posteriores desarrollaron superficies hidrófilas artificiales con tasas de recolección de 25 mg H ₂ O/(cm ² h), más del doble de la tasa de recolección de ranas arbóreas en condiciones comparables, es decir, 100% RH (humedad relativa). ^[dieciséis]
• Otro enfoque funciona con una humedad relativa inferior al 15-30%, pero también tiene limitaciones ambientales; Es necesaria una fuente de biomasa sostenible. Las películas de polímeros súper higroscópicas compuestas de biomasa y sales higroscópicas son capaces de condensar la humedad de la atmósfera. ^[16] Al implementar una cinética rápida de sorción-desorción y operar de 14 a 24 ciclos por día, esta técnica produjo un rendimiento de agua equivalente de 5,8 a 13,3 L kg ⁻¹ de materias primas sostenibles, lo que demuestra el potencial para obtener agua atmosférica escalable y de bajo costo. cosecha. ^[36]

Las colas higroscópicas son candidatas para el desarrollo comercial. La causa más común de falla del pegamento sintético con alta humedad se atribuye a que el agua lubrica el área de contacto, lo que afecta la calidad de la unión. Los pegamentos higroscópicos pueden permitir uniones adhesivas más duraderas al absorber (tirar) la humedad ambiental interfacial lejos del límite pegamento-sustrato. ^[14]

Con frecuencia se menciona la integración del movimiento higroscópico en los diseños y sistemas de edificios inteligentes, por ejemplo en las ventanas que se abren solas. ^[20] Tal movimiento es atractivo, una respuesta adaptativa y autoconformadora que no requiere fuerza o energía externa. Sin embargo, las capacidades de las opciones materiales actuales son limitadas. Se ha modelado y evaluado el diseño biomimético de compuestos de madera higromórficos y sistemas de construcción higroaccionados. ^[37]

• Faltan tiempo de respuesta higrométrica, cambios de forma precisos y durabilidad. La mayoría de los compuestos hidroaccionados disponibles actualmente son inferiores y presentan fallas por fatiga mucho antes de lo que se observa en la naturaleza, por ejemplo, en las escamas de las piñas, lo que indica que se necesita una mejor comprensión de las estructuras biológicas de las plantas. ^[37] Son necesarios materiales compuestos de sistemas bicapa activos sensibles a los fluidos que puedan dirigir la higromorfización conformacional planificada. ^[20]
• Los compuestos actuales requieren compensaciones indeseables entre el tiempo de respuesta higromórfica y la estabilidad mecánica que también deben equilibrarse con los estímulos ambientales cambiantes. ^[37]

Ver también

• Núcleos de condensación de nubes
• Humedad relativa crítica
• Eflorescente
• Contenido de humedad de equilibrio
• hidrófilo
• Hidrófobo

Referencias

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enlaces externos

• Vídeo sobre la delicuescencia del cloruro de calcio.
• El movimiento de sales orgánicas higroscópicas.