Ultrahidrofobicidad

Propiedad del material de extrema resistencia a la humectación.

Una gota sobre la superficie de un loto, con un ángulo de contacto superior a 146°.

Una gota de agua que cae sobre una superficie elástica superhidrófoba.

En química y ciencia de materiales , las superficies ultrahidrófobas (o superhidrófobas ) son altamente hidrófobas , es decir, extremadamente difíciles de mojar . Los ángulos de contacto de una gota de agua sobre un material ultrahidrófobo superan los 150°. ^[1] Esto también se conoce como efecto de loto , en honor a las hojas superhidrófobas de la planta de loto . Una gota que golpea este tipo de superficies puede rebotar completamente como una bola elástica. ^[2] Las interacciones de las gotas que rebotan se pueden reducir aún más utilizando superficies superhidrófobas especiales que promueven la ruptura de la simetría , ^{[3] [4] [5] [6]} rebote de panqueques ^[7] o rebote de cuencos de agua. ^{[8] [9]}

Teoría

En 1805, Thomas Young definió el ángulo de contacto θ analizando las fuerzas que actúan sobre una gota de fluido que descansa sobre una superficie sólida lisa rodeada por un gas. ^[10]

Una gota de líquido reposa sobre una superficie sólida y está rodeada de gas. El ángulo de contacto, θ _C , es el ángulo formado por un líquido en el límite de tres fases donde se cruzan el líquido, el gas y el sólido.

Una gota que reposa sobre una superficie sólida y rodeada por un gas forma un ángulo de contacto característico θ . Si la superficie sólida es rugosa y el líquido está en íntimo contacto con las asperezas del sólido, la gota está en estado Wenzel. Si el líquido reposa sobre la parte superior de las asperezas, se encuentra en el estado de Cassie-Baxter.

${\displaystyle \gamma _{SG}\ =\gamma _{SL}+\gamma _{LG}\cos {\theta }}$

dónde

${\displaystyle \gamma _{SG}\ }$= Tensión interfacial entre el sólido y el gas

${\displaystyle \gamma _{SL}\ }$= Tensión interfacial entre el sólido y el líquido

${\displaystyle \gamma _{LG}\ }$= Tensión interfacial entre el líquido y el gas.

θ se puede medir utilizando un goniómetro de ángulo de contacto .

Wenzel determinó que cuando el líquido está en íntimo contacto con una superficie microestructurada, θ cambiará a θ _W*

${\displaystyle \cos \theta _{W}*=r\cos \theta }$

donde r es la relación entre el área real y el área proyectada. ^[11] La ecuación de Wenzel muestra que la microestructuración de una superficie amplifica la tendencia natural de la superficie. Una superficie hidrofóbica (una que tiene un ángulo de contacto original mayor a 90°) se vuelve más hidrofóbica cuando se microestructura: su nuevo ángulo de contacto se vuelve mayor que el original. Sin embargo, una superficie hidrófila (una que tiene un ángulo de contacto original inferior a 90°) se vuelve más hidrófila cuando se microestructura: su nuevo ángulo de contacto se vuelve menor que el original. ^[12]

Cassie y Baxter descubrieron que si el líquido se suspende en la parte superior de las microestructuras, θ cambiará a θ _CB*

${\displaystyle \cos \theta _{CB}*=\varphi (\cos \theta +1)-1}$

donde φ es la fracción de área del sólido que toca al líquido. ^[13] El líquido en el estado de Cassie-Baxter es más móvil que en el estado de Wenzel.

Se puede predecir si debería existir el estado de Wenzel o Cassie-Baxter calculando el nuevo ángulo de contacto con ambas ecuaciones. Según un argumento de minimización de la energía libre, la relación que predijo el nuevo ángulo de contacto más pequeño es el estado que tiene más probabilidades de existir. Expresado matemáticamente, para que exista el estado de Cassie-Baxter, la siguiente desigualdad debe ser cierta. ^[14]

${\displaystyle \cos \theta <{\frac {\varphi -1}{r-\varphi }}}$

Un criterio alternativo reciente para el estado de Cassie-Baxter afirma que el estado de Cassie-Baxter existe cuando se cumplen los dos criterios siguientes:

1) Las fuerzas de la línea de contacto superan las fuerzas corporales del peso de la gota no soportada y

2) Las microestructuras son lo suficientemente altas como para evitar que el líquido que une las microestructuras toque la base de las microestructuras. ^[15]

El ángulo de contacto es una medida de hidrofobicidad estática, y la histéresis del ángulo de contacto y el ángulo de deslizamiento son medidas dinámicas. La histéresis del ángulo de contacto es un fenómeno que caracteriza la heterogeneidad de la superficie. ^[16] Cuando una pipeta inyecta un líquido sobre un sólido, el líquido formará algún ángulo de contacto. A medida que la pipeta inyecta más líquido, la gota aumentará de volumen, el ángulo de contacto aumentará, pero su límite trifásico permanecerá estacionario hasta que avance repentinamente hacia afuera. El ángulo de contacto que tenía la gota inmediatamente antes de avanzar hacia afuera se denomina ángulo de contacto de avance. El ángulo de contacto de retroceso ahora se mide bombeando el líquido nuevamente fuera de la gota. La gota disminuirá de volumen, el ángulo de contacto disminuirá, pero su límite trifásico permanecerá estacionario hasta que retroceda repentinamente hacia adentro. El ángulo de contacto que tenía la gota inmediatamente antes de retroceder hacia adentro se denomina ángulo de contacto de retroceso. La diferencia entre los ángulos de contacto de avance y retroceso se denomina histéresis del ángulo de contacto y se puede utilizar para caracterizar la heterogeneidad, rugosidad y movilidad de la superficie. Las superficies que no son homogéneas tendrán dominios que impedirán el movimiento de la línea de contacto. El ángulo de deslizamiento es otra medida dinámica de hidrofobicidad y se mide depositando una gota sobre una superficie e inclinando la superficie hasta que la gota comienza a deslizarse. Los líquidos en el estado de Cassie-Baxter generalmente exhiben ángulos de deslizamiento e histéresis del ángulo de contacto más bajos que los del estado de Wenzel.

Se puede utilizar un modelo simple para predecir la efectividad de una superficie sintética micro o nanofabricada según su estado condicional (Wenzel o Cassie-Baxter), ángulo de contacto e histéresis del ángulo de contacto . ^[17] El factor principal de este modelo es la densidad de la línea de contacto, Λ , que es el perímetro total de asperezas sobre una unidad de área determinada.

Muestra de superficie hidrofóbica compuesta por pilares cuadrados. Λ = 4 x / y ²

La densidad de la línea de contacto crítica Λ _C es función de las fuerzas del cuerpo y de la superficie, así como del área proyectada de la gota.

${\displaystyle \Lambda _{C}={\frac {-\rho {g}{V^{1/3}}{\Big (}{\Big (}{\frac {1-\cos(\theta _{a})}{\sin(\theta _{a})}}{\Big )}{\Big (}3+{\Big (}{\frac {1-\cos(\theta _{a})}{\sin(\theta _{a})}}{\Big )}^{2}{\Big )}{\Big )}^{2/3}}{(36\pi )^{1/3}\gamma \cos(\theta _{a,0}+w-90)}}}$

dónde

ρ = densidad de la gota de líquido

g = aceleración debida a la gravedad

V = volumen de la gota de líquido

θ _a = ángulo de contacto aparente de avance

θ _{a ,0} = ángulo de contacto de avance de un sustrato liso

γ = tensión superficial del líquido

w = ángulo de la pared de la torre

Si Λ > Λ _C , las gotas quedan suspendidas en el estado de Cassie-Baxter. De lo contrario, la gota colapsará y pasará al estado de Wenzel.

Para calcular los ángulos de contacto actualizados de avance y retroceso en el estado de Cassie-Baxter, se pueden utilizar las siguientes ecuaciones.

${\displaystyle \theta _{a}=\lambda _{p}(\theta _{a,0}+w)+(1-\lambda _{p})\theta _{air}}$

${\displaystyle \theta _{r}=\lambda _{p}\theta _{r,0}+(1-\lambda _{p})\theta _{air}}$

con también el estado de Wenzel:

${\displaystyle \theta _{a}=\lambda _{p}(\theta _{a,0}+w)+(1-\lambda _{p})\theta _{a,0}}$

${\displaystyle \theta _{r}=\lambda _{p}(\theta _{r,0}-w)+(1-\lambda _{p})\theta _{r,0}}$

dónde

λ _p = fracción lineal de la línea de contacto en las asperezas

θ _{r ,0} = ángulo de contacto de retroceso de un sustrato liso

θ _aire = ángulo de contacto entre el líquido y el aire (normalmente se supone que es de 180°)

Estructuras de rugosidad unitarias versus jerárquicas

M. Nosonovsky y B. Bhushan estudiaron el efecto de estructuras unitarias (no jerárquicas) de micro y nano rugosidad, y estructuras jerárquicas (micro rugosidad recubiertas de nano rugosidad). ^[18] Descubrieron que la estructura jerárquica no sólo era necesaria para un alto ángulo de contacto, sino también esencial para la estabilidad de las interfaces agua-sólido y agua-aire (la interfaz compuesta). Debido a una perturbación externa, se puede formar una onda capilar estacionaria en la interfaz líquido-aire. Si la amplitud de la onda capilar es mayor que la altura de las asperezas, el líquido puede tocar el valle entre las asperezas; y si el ángulo bajo el cual el líquido entra en contacto con el sólido es mayor que h ₀ , es energéticamente rentable que el líquido llene el valle. El efecto de las ondas capilares es más pronunciado en pequeñas asperezas con alturas comparables a la amplitud de la onda. Un ejemplo de esto se ve en el caso de la rugosidad unitaria, donde la amplitud de la aspereza es muy baja. Por este motivo, la probabilidad de inestabilidad de una interfaz unitaria será muy alta. Sin embargo, en un estudio reciente, Eyal Bittoun y Abraham Marmur descubrieron que la rugosidad multiescala no es necesariamente esencial para la superhidrofobicidad, pero sí beneficiosa para la estabilidad mecánica de la superficie. ^[19]

Ejemplos en la naturaleza

Muchos materiales muy hidrófobos que se encuentran en la naturaleza se basan en la ley de Cassie y son bifásicos a nivel submicrométrico. Los finos pelos de algunas plantas son hidrófobos y están diseñados para explotar las propiedades disolventes del agua para atraer y eliminar la suciedad que bloquea la luz solar de sus superficies fotosintéticas . Inspirándose en este efecto de loto , se han desarrollado muchas superficies superhidrófobas funcionales. ^[20]

Los zancudos son insectos que viven en la película superficial del agua y sus cuerpos son efectivamente no mojables debido a unos pelos especializados llamados hidrófugos ; Muchas de las superficies de su cuerpo están cubiertas con estos "pelos" especializados, compuestos de pequeños pelos tan espaciados que hay más de mil micropelos por mm, lo que crea una superficie hidrofóbica. ^[21] Se conocen superficies hidrófugas similares en otros insectos, incluidos los insectos acuáticos que pasan la mayor parte de su vida sumergidos, con pelos hidrófobos que impiden la entrada de agua a su sistema respiratorio. También se ha documentado que la superficie de la piel de algunas especies de lagartos , como los geckos ^[22] y los anolis , ^[23] es altamente hidrófoba y puede facilitar la autolimpieza ^[24] o la respiración bajo el agua. ^[25]

Algunas aves son excelentes nadadoras debido a su capa de plumas hidrofóbicas. Los pingüinos están cubiertos por una capa de aire y pueden liberar ese aire atrapado para acelerar rápidamente cuando necesitan saltar fuera del agua y aterrizar en terrenos más altos. Usar un abrigo de aire al nadar reduce la resistencia y también actúa como aislante térmico.

Investigación reciente

Cortar una gota de agua con un cuchillo superhidrófobo en superficies superhidrófobas.

Gotas de agua rodando por una superficie superhidrófoba inclinada 5°.

Dettre y Johnson descubrieron en 1964 que el fenómeno del efecto de loto superhidrófobo estaba relacionado con superficies hidrófobas rugosas y desarrollaron un modelo teórico basado en experimentos con perlas de vidrio recubiertas con parafina o telómero de TFE. La propiedad de autolimpieza de las superficies micronanoestructuradas superhidrófobas se informó en 1977. ^[26] Se desarrollaron materiales superhidrófobos formados por perfluoroalquilo, perfluoropoliéter y plasma de RF, que se utilizaron para electrohumectación y se comercializaron para aplicaciones biomédicas entre 1986 y 1995. ^{[27] [ 28] [29] [30]} Desde mediados de los años 1990 han surgido otras tecnologías y aplicaciones. ^[31] En 2002 se dio a conocer una composición jerárquica superhidrófoba duradera, aplicada en uno o dos pasos, que comprende partículas de tamaño nanométrico ≤ 100 nanómetros superpuestas a una superficie que tiene características de tamaño micrométrico o partículas ≤ 100 µm . Se observó que las partículas más grandes protegían a las partículas más pequeñas de la abrasión mecánica. ^[32] En 2012 se desarrollaron recubrimientos superhidrófobos y oleofóbicos duraderos y ópticamente transparentes que comprenden nanopartículas en el rango de tamaño de 10 a 100 nm. ^{[33] [34] [35] [36] [37]}

La investigación sobre superhidrofobicidad se aceleró recientemente con una carta que informaba sobre muestras superhidrófobas artificiales producidas al permitir que el dímero de alquilceteno (AKD) se solidificara en una superficie fractal nanoestructurada. ^[38] Desde entonces, muchos artículos han presentado métodos de fabricación para producir superficies superhidrófobas, incluida la deposición de partículas, ^[39] técnicas sol-gel , ^[40] tratamientos con plasma, ^[41] deposición de vapor, ^[39] y técnicas de fundición. ^[42] Las oportunidades actuales para el impacto de la investigación residen principalmente en la investigación fundamental y la fabricación práctica. ^[43] Recientemente han surgido debates sobre la aplicabilidad de los modelos de Wenzel y Cassie-Baxter. En un experimento diseñado para desafiar la perspectiva de la energía superficial del modelo de Wenzel y Cassie-Baxter y promover una perspectiva de línea de contacto, se colocaron gotas de agua en un punto hidrofóbico suave en un campo hidrofóbico rugoso, un punto hidrofóbico rugoso en un campo hidrofóbico suave, y una mancha hidrofílica en un campo hidrofóbico. ^[44] Los experimentos demostraron que la química y la geometría de la superficie en la línea de contacto afectaron el ángulo de contacto y la histéresis del ángulo de contacto, pero el área de la superficie dentro de la línea de contacto no tuvo ningún efecto. También se ha propuesto el argumento de que una mayor irregularidad en la línea de contacto mejora la movilidad de las gotas. ^[45] Un método para medir experimentalmente la irregularidad en la línea de contacto utiliza metal de baja temperatura de fusión fundido y depositado sobre superficies micro/nanoestructuradas. Cuando el metal se enfría y solidifica, se retira de la superficie, se voltea y se inspecciona la microgeometría de la línea de contacto. ^[46]

Se han realizado algunos esfuerzos para fabricar una superficie con humectabilidad ajustable. Con el fin de lograr la movilidad espontánea de las gotas, se puede fabricar una superficie con diferentes anchos de torre y espaciamientos para aumentar gradualmente la energía libre de la superficie. ^[47] La ​​tendencia muestra que a medida que aumenta el ancho de la torre, la barrera de energía libre se hace más grande y el ángulo de contacto cae, lo que reduce la hidrofobicidad del material. Aumentar el espaciado de las torres aumentará el ángulo de contacto, pero también aumentará la barrera de energía libre. Las gotas se mueven naturalmente hacia áreas de hidrofobicidad débil, por lo que para hacer que una gota se mueva espontáneamente de un lugar a otro, la superficie ideal consistiría en torres de pequeño ancho con espaciamiento grande hasta torres de gran ancho con espaciamiento pequeño. Una advertencia a este movimiento espontáneo es la resistencia de las gotas estacionarias a moverse. El movimiento inicial de la gota requiere un estímulo externo, de algo tan grande como una vibración de la superficie o tan pequeño como un simple "empuje" de una jeringa cuando se libera de la aguja.

Un ejemplo de humectabilidad fácilmente ajustable se encuentra en los tejidos desarrollados especialmente. ^[48] ​​Al estirar una tela comercial recubierta por inmersión, generalmente se permitía que los ángulos de contacto aumentaran. Esto se debe en gran medida a un aumento en el espaciamiento de las torres. Sin embargo, esta tendencia no continúa hacia una mayor hidrofobicidad con una mayor tensión. Finalmente, el estado de Cassie-Baxter alcanza una inestabilidad y pasa al estado de Wenzel, empapando la tela.

Un ejemplo de material biomimético superhidrófobo en nanotecnología es la película de nanopin . En un estudio se presenta una superficie de pentóxido de vanadio V ₂ O ₅ que puede cambiar reversiblemente entre superhidrofobicidad y superhidrofilicidad bajo la influencia de la radiación UV. ^[49] Según el estudio, cualquier superficie puede modificarse a este efecto mediante la aplicación de una suspensión de partículas de V ₂ O ₅ similares a rosas, por ejemplo con una impresora de inyección de tinta . Una vez más, la hidrofobicidad es inducida por bolsas de aire interlaminares (separadas por distancias de 2,1 nm ). También se explica el efecto UV. La luz ultravioleta crea pares electrón-hueco , y los huecos reaccionan con el oxígeno de la red creando vacantes de oxígeno en la superficie mientras los electrones reducen V ⁵⁺ a V ³⁺ . Las vacantes de oxígeno las cubre el agua y esta absorbencia de agua por la superficie del vanadio lo hace hidrófilo. Mediante un almacenamiento prolongado en la oscuridad, el agua es reemplazada por oxígeno y se pierde nuevamente la hidrofilicidad .

Otro ejemplo de superficie biomimética incluye microflores sobre policarbonatos poliméricos comunes. ^[50] Las estructuras micro/nano binarias (MNBS) imitan la micro/nanoestructura típica de una hoja de loto. Estas microflores ofrecen características a nanoescala que mejoran la hidrofobicidad de la superficie, sin el uso de recubrimientos de baja energía superficial. La creación de la superficie superhidrófoba mediante la separación de fases inducida por vapor a diferentes humedades relativas circundantes provocó un cambio similar en el ángulo de contacto de la superficie. Las superficies preparadas ofrecen ángulos de contacto superiores a 160° con ángulos de deslizamiento típicos de alrededor de 10°. Un estudio reciente ha revelado microestructuras en forma de panal en la hoja de taro, lo que hace que la hoja sea superhidrófoba. El ángulo de contacto medido en la hoja de taro en este estudio es de alrededor de 148 grados. ^[51]

Los recubrimientos de baja energía superficial también pueden proporcionar una superficie superhidrófoba. Un revestimiento monocapa autoensamblado (SAM) puede proporcionar dichas superficies. Para mantener una superficie hidrofóbica, los grupos de cabeza se unen estrechamente a la superficie, mientras que las micelas hidrofóbicas se extienden lejos de la superficie. Al variar la cantidad de SAM que se aplica sobre un sustrato, se puede variar el grado de hidrofobicidad. Los SAM superhidrófobos particulares tienen un grupo de cabeza hidrófobo que se une al sustrato. En uno de esos trabajos, se ensambla 1-dodecanotiol (DT; CH ₃ (CH ₂ ) ₁₁ SH ) sobre un sustrato compuesto de Pt/ZnO/SiO ₂ , produciendo ángulos de contacto de 170,3°. ^[52] Las monocapas también podrían eliminarse con una fuente de UV, disminuyendo la hidrofobicidad. Un método de fabricación simple podría crear tanto una microestructura como una baja tensión superficial en un solo paso mediante el uso de octadeciltriclorosilano (OTS). ^[53]

Las superficies superhidrófobas pueden estabilizar el efecto Leidenfrost estabilizando la capa de vapor. Una vez que se establece la capa de vapor, el enfriamiento nunca colapsa la capa y no se produce ebullición nucleada ; en cambio, la capa se relaja lentamente hasta que la superficie se enfría. ^[54]

La fabricación de superficies de polímeros superhidrófobos con geometría controlada puede resultar costosa y llevar mucho tiempo, pero una pequeña cantidad de fuentes comerciales ^{[ cita necesaria ]} proporcionan muestras para laboratorios de investigación.

Aplicaciones potenciales

Una prueba de pintura superhidrófoba.

Las investigaciones recientes y activas sobre materiales superhidrófobos podrían eventualmente conducir a aplicaciones industriales. Algunos intentos de fabricar una superficie superhidrófoba incluyen imitar la superficie de una hoja de loto, es decir, la característica de dos niveles. Esto requiere superficies a microescala con características típicamente a nanoescala encima de ellas. Por ejemplo, se ha informado de una rutina simple de recubrir tela de algodón con partículas de sílice ^[55] o titania ^{[56] mediante la técnica} sol-gel , que protege la tela de la luz ultravioleta y la vuelve superhidrófoba. De manera similar, las nanopartículas de sílice se pueden depositar sobre una tela de carbono que ya es hidrófoba. ^[57] La ​​tela de carbono por sí sola se identifica como inherentemente hidrófoba, pero no se distingue como superhidrófoba ya que su ángulo de contacto no es superior a 150°. Con la adhesión de nanopartículas de sílice se consiguen ángulos de contacto de hasta 162°. El uso de nanopartículas de sílice también resulta interesante para desarrollar materiales hidrófobos transparentes para parabrisas de automóviles y ventanas autolimpiables. ^[58] Al recubrir una superficie ya transparente con nanosílice con aproximadamente 1% en peso, los ángulos de contacto de las gotas se pueden elevar hasta 168° con un ángulo de deslizamiento de 12°.

Se ha informado de una rutina eficaz para hacer que el polietileno lineal de baja densidad sea superhidrófobo y, por tanto, autolimpiante; ^[59] El 99% de la suciedad depositada en dicha superficie se elimina fácilmente mediante lavado. Las superficies superhidrófobas estampadas también son prometedoras para los dispositivos de microfluidos de laboratorio en un chip y pueden mejorar drásticamente el bioanálisis basado en superficies. ^[60] En la industria textil, la superhidrofobicidad se refiere a ángulos estáticos de caída del agua de 20° o menos. Un ejemplo de efecto superhidrofóbico en una aplicación en vivo es el del equipo Alinghi en la Copa América utilizando chaquetas de navegación especialmente tratadas. El tratamiento se basa en partículas de tamaño micrométrico en combinación con la química tradicional del flúor.

Ha habido un desarrollo reciente de papel súper hidrofóbico que tiene propiedades únicas para su aplicación en la industria médica y electrónica basada en papel. ^[61] El papel se sintetiza en un medio libre de compuestos orgánicos que lo hace respetuoso con el medio ambiente. El papel tiene propiedades antimicrobianas ya que no retiene la humedad, lo que lo hace perfecto para aplicaciones quirúrgicas. Este documento puede suponer un gran avance para la industria electrónica basada en papel. La resistencia a los disolventes acuosos y orgánicos lo convierte en una opción ideal para desarrollar sensores y chips electrónicos. La detección de analitos basada en la piel ahora es posible sin dañar y sin reemplazar continuamente los electrodos, ya que este papel será inmune al sudor. Con sus infinitas aplicaciones, este campo de la ciencia de los materiales seguramente será más explorado.

Una aplicación reciente de estructuras y materiales hidrofóbicos es el desarrollo de chips de micropilas de combustible. Las reacciones dentro de la pila de combustible producen CO ₂ gas residual que puede evacuarse a través de estas membranas hidrofóbicas. ^[62] La membrana consta de muchas microcavidades que permiten que el gas escape, mientras que su característica de hidrofobicidad evita que el combustible líquido se filtre. Fluye más combustible para reemplazar el volumen previamente mantenido por el gas residual y se permite que la reacción continúe.

Una aplicación bien conocida de las superficies ultrahidrófobas es en los intercambiadores de calor, ^[63] donde pueden mejorar la eliminación de gotas e incluso causar condensación de gotas saltantes, con potencial para plantas de energía, calefacción y aire acondicionado, y desalinización . ^[64] Los óxidos de tierras raras, que presentan superficies intrínsecamente hidrófobas, ofrecen una alternativa a los recubrimientos de superficie, permitiendo el desarrollo de superficies hidrófobas térmicamente estables para intercambiadores de calor que funcionan a alta temperatura. ^[65] También se han utilizado membranas de desalinización ultrahidrófobas para destilación por membrana . fabricado para mejorar la resistencia a las incrustaciones, ^[66] que se puede fabricar de manera efectiva con deposición química de vapor . ^[67]

También se ha sugerido que las superficies superhidrófobas también pueden repeler el hielo o prevenir la acumulación de hielo que conduce al fenómeno de la icefobicidad . Sin embargo, no todas las superficies superhidrófobas son hielofóbicas ^[68] y el enfoque aún está en desarrollo. ^[69] En particular, la formación de escarcha en toda la superficie es inevitable como resultado de la propagación no deseada de ondas de congelación entre gotitas iniciada por los bordes de la muestra. Además, la formación de escarcha da como resultado directamente una mayor adherencia de la escarcha, lo que plantea graves desafíos para el proceso de descongelación posterior. Al crear una superficie jerárquica, se puede suprimir la propagación de la onda de congelación entre gotas y se puede promover la eliminación del hielo/escarcha. Los rendimientos mejorados se deben principalmente a la activación del efecto de borde a microescala en la superficie jerárquica, que aumenta la barrera de energía para la formación de puentes de hielo y genera la lubricación líquida durante el proceso de deshielo/descongelación. ^[70]

La capacidad del envase para vaciar completamente un líquido viscoso depende en cierta medida de la energía superficial de las paredes internas del recipiente. El uso de superficies superhidrófobas es útil, pero puede mejorarse aún más utilizando nuevas superficies impregnadas de lubricante. ^[71]

Ver también

• Medidor de ángulo de contacto
• Hidrófobo
• Escalas de hidrofobicidad
• efecto loto
• Revestimiento superhidrófobo

Referencias

1. Wang, Shutao; Jiang, L. (2007). "Definición de estados superhidrófobos". Materiales avanzados . 19 (21): 3423–3424. Código Bib : 2007AdM....19.3423W. doi :10.1002/adma.200700934. S2CID  138017937.
2. Ricardo, Denis; Clanet, Christophe; Quéré, David (junio de 2002). "Tiempo de contacto de una gota que rebota". Naturaleza . 417 (6891): 811. doi : 10.1038/417811a . PMID  12075341. S2CID  39405131.
3. Morgan, James (21 de noviembre de 2013). "La superficie impermeable está 'más seca que nunca'". Noticias de la BBC . Consultado el 19 de agosto de 2020 .
4. "Los físicos rompen la barrera teórica del tiempo al rebotar gotas (con vídeo)". phys.org . Consultado el 19 de agosto de 2020 .
5. Pájaro, James C.; Dhiman, Rajeev; Kwon, Hyuk-Min; Varanasi, Kripa K. (noviembre de 2013). "Reducir el tiempo de contacto de una gota que rebota". Naturaleza . 503 (7476): 385–388. Código Bib :2013Natur.503..385B. doi : 10.1038/naturaleza12740. ISSN  1476-4687. PMID  24256803. S2CID  1329448.
6. Gauthier, Anaïs; Symon, Sean; Clanet, Christophe; Quéré, David (11 de agosto de 2015). "Agua impactando sobre macrotexturas superhidrófobas". Comunicaciones de la naturaleza . 6 (1): 8001. Código Bib : 2015NatCo...6.8001G. doi : 10.1038/ncomms9001 . ISSN  2041-1723. PMC 4918367 . PMID  26259509. 
7. Liu, Yahua; Moevius, Lisa; Xu, Xinpeng; Qian, Tiezheng; Yeomans, Julia M.; Wang, Zuankai (8 de junio de 2014). "Panqueque rebotando sobre superficies superhidrófobas". Física de la Naturaleza . 10 (7): 515–519. arXiv : 1406.3203 . Código Bib : 2014NatPh..10..515L. doi :10.1038/nphys2980. PMC 5444522 . PMID  28553363. 
8. "Cómo hacer un mejor impermeable con pequeños" cuencos de agua"". El economista . ISSN  0013-0613 . Consultado el 19 de agosto de 2020 .
9. Girard, Henri-Louis; Soto, Dan; Varanasi, Kripa K. (23 de julio de 2019). "Cuencos de agua: reducción de las interacciones impactantes de las gotas mediante la redirección del impulso". ACS Nano . 13 (7): 7729–7735. doi :10.1021/acsnano.9b01301. ISSN  1936-0851. PMID  31243952. S2CID  195695075.
10. Joven, T. (1805). "Un ensayo sobre la cohesión de fluidos". Fil. Trans. R. Soc. Londres. 95 : 65–87. doi : 10.1098/rstl.1805.0005 . S2CID  116124581.
11. Wenzel, enfermera registrada (1936). "Resistencia de las superficies sólidas al mojado por el agua". Ing. de Indiana. química . 28 (8): 988–994. doi :10.1021/ie50320a024.
12. de Gennes, Pierre-Gilles (2004). Fenómenos de capilaridad y humectación . Saltador. ISBN 978-0-387-00592-8.^{[ página necesaria ]}
13. Cassie, ABD; Baxter, S. (1944). "Mojabilidad de superficies porosas". Transacciones de la Sociedad Faraday . 40 : 546. doi : 10.1039/tf9444000546.
14. Quéré, David (1 de noviembre de 2005). "Gotas antiadherentes". Informes sobre los avances en física . 68 (11): 2495–2532. Código Bib : 2005RPPh...68.2495Q. doi :10.1088/0034-4885/68/11/R01. S2CID  121128710.
15. Extrand, CW (junio de 2004). "Criterios para superficies ultraliofóbicas". Langmuir . 20 (12): 5013–5018. doi :10.1021/la036481s. PMID  15984262.
16. Johnson, Rulon E.; Dettre, Robert H. (julio de 1964). "Histéresis del ángulo de contacto. III. Estudio de una superficie heterogénea idealizada". El diario de la química física . 68 (7): 1744-1750. doi :10.1021/j100789a012.
17. Extrand, CW (octubre de 2002). "Modelo de ángulos de contacto e histéresis en superficies rugosas y ultrafóbicas". Langmuir . 18 (21): 7991–7999. doi :10.1021/la025769z.
18. Michael, Nosonovsky; Bhushan, Bharat (marzo de 2007). "La rugosidad jerárquica estabiliza los estados superhidrófobos". Ingeniería Microelectrónica . 84 (3): 382–386. doi :10.1016/j.mee.2006.10.054.
19. Bittoun, Eyal; Marmur, Abraham (20 de septiembre de 2012). "El papel de la rugosidad multiescala en el efecto loto: ¿es esencial para la superhidrofobicidad?". Langmuir . 28 (39): 13933–13942. doi :10.1021/la3029512. PMID  22946829.
20. Wang, ST; Liu, Huan; Jiang, Lei (2006). Proceso reciente sobre superficie bioinspirada con especial humectabilidad . Revisión anual de la nanoinvestigación. vol. 1. págs. 573–628. doi :10.1142/9789812772374_0013. ISBN 978-981-277-237-4.
21. Ward, JV (1992). Ecología de insectos acuáticos: 1. Biología y hábitat . Nueva York: Wiley & Sons. págs.74, 96, 172, 180. ISBN 978-0-471-55007-5.
22. Riedel, Jendrian; Vucko, Mateo Juan; Blomberg, Simone P.; Schwarzkopf, Lin (2020). "La hidrofobicidad de la piel como adaptación para la autolimpieza en geckos". Ecología y Evolución . 10 (11): 4640–4651. Código Bib : 2020EcoEv..10.4640R. doi :10.1002/ece3.6218. ISSN  2045-7758. PMC 7297746 . PMID  32551049. 
23. Baeckens, Simón; Temmerman, María; Gorb, Stanislav N.; Neto, Chiara; Whiting, Martín J.; Van Damme, Raoul (13 de octubre de 2021). "Evolución convergente de la microarquitectura de la superficie de la piel y aumento de la hidrofobicidad de la piel en lagartos anolis semiacuáticos". Revista de biología experimental . 224 (19): jeb242939. doi :10.1242/jeb.242939. ISSN  0022-0949. PMC 8541734 . PMID  34642763. 
24. Watson, Gregorio S.; Verde, David W.; Schwarzkopf, Lin; Li, Xin; Cribb, Bronwen W.; Myhra, Sverre; Watson, Jolanta A. (15 de julio de 2015). "Una micro / nanoestructura de piel de gecko: una superficie antibacteriana, superhidrófoba, autolimpiante, biocompatible y de baja adherencia". Acta Biomaterialia . 21 : 109-122. doi :10.1016/j.actbio.2015.03.007. ISSN  1742-7061. PMID  25772496.
25. Boccia, Christopher K.; Swierk, Lindsey; Ayala-Varela, Fernando P.; Boccia, James; Borges, Isabela L.; Estupiñán, Camilo Andrés; Martín, Alexandra M.; Martínez-Grimaldo, Ramón E.; Ovalle, Sebastián; Senthivasan, Shreeram; Toyama, Ken S. (12 de julio de 2021). "Evolución repetida de la reinhalación submarina en lagartos Anolis buceadores". Biología actual . 31 (13): 2947–2954.e4. Código Bib : 2021CBio...31E2947B. doi : 10.1016/j.cub.2021.04.040 . ISSN  0960-9822. PMID  33984265. S2CID  234495677.
26. Barthlott, Guillermo; Ehler, Nesta (1977). Raster-Elektronenmikroskopie der Epidermis-Oberflächen von Spermatophyten . Tropische und subtropische Pflanzenwelt (en alemán). pag. 110.ISBN​ 978-3-515-02620-8.
27. J. Marrón. "Patente de Estados Unidos 4.911.782". Archivado desde el original el 14 de julio de 2018 . Consultado el 12 de enero de 2015 .
28. J. Marrón. "Patente de Estados Unidos 5.200.152". Archivado desde el original el 27 de julio de 2017 . Consultado el 12 de enero de 2015 .
29. Fundación Nacional de Ciencias. "Citómetro de flujo detenido".
30. J. Marrón. "Patente de Estados Unidos 5.853.894". Archivado desde el original el 22 de enero de 2017 . Consultado el 13 de enero de 2015 .
31. Barthlott, Guillermo; C. Neinhuis (1997). "La pureza del loto sagrado o escapar de la contaminación en superficies biológicas". Planta . 202 (1): 1–8. Código Bib : 1997Planta.202....1B. doi :10.1007/s004250050096. S2CID  37872229.
32. J. Marrón. "Patente estadounidense 6.767.587". Archivado desde el original el 14 de julio de 2018 . Consultado el 13 de enero de 2015 .
33. J. Marrón. "Patente de Estados Unidos 8.785.556".
34. Cheng, Yang-Tse; Rodak, Daniel E. (4 de abril de 2005). "¿Es la hoja de loto superhidrófoba?". Letras de Física Aplicada . 86 (14): 144101. Código bibliográfico : 2005ApPhL..86n4101C. doi :10.1063/1.1895487.
35. Narhe, RD; Beysens, DA (julio de 2006). "Condensación de agua sobre una superficie de punta superhidrófoba". Cartas de Eurofísica . 75 (1): 98-104. Código Bib : 2006EL.....75...98N. doi :10.1209/epl/i2006-10069-9. S2CID  250919483.
36. Lai, SCS (agosto de 2003). Mimetizando la naturaleza: Base física y síntesis artificial del efecto Loto (PDF) (Reporte). Archivado desde el original (PDF) el 25 de octubre de 2012 . Consultado el 24 de diciembre de 2019 .
37. Koch, Kerstin; Bhushan, Bharat; Barthlott, Wilhelm (2008). "Diversidad de estructura, morfología y humectación de superficies vegetales". Materia Blanda . 4 (10): 1943. Bibcode : 2008SMat....4.1943K. doi :10.1039/b804854a.
38. Onda, T.; Shibuichi, S.; Satoh, N.; Tsujii, K. (1996). "Superficies fractales superrepelentes al agua". Langmuir . 12 (9): 2125–2127. doi :10.1021/la950418o.
39. Miwa, Masashi; Nakajima, Akira; Fujishima, Akira; Hashimoto, Kazuhito; Watanabe, Toshiya (junio de 2000). "Efectos de la rugosidad de la superficie sobre los ángulos de deslizamiento de las gotas de agua en superficies superhidrófobas". Langmuir . 16 (13): 5754–5760. doi :10.1021/la991660o.
40. Shirtcliffe, Nueva Jersey; McHale, G.; Newton, Michigan; Perry, CC (2003). "Espumas sol-gel de organosílice intrínsecamente superhidrófobas". Langmuir . 19 (14): 5626–5631. doi :10.1021/la034204f.
41. Lágrima, DOH; Spanos, CG; Ridley, P.; Kinmond, EJ; Roucoules, V.; Badyal, JPS; Cervecero, SA; Coulson, S.; Willis, C. (noviembre de 2002). "Deposición de plasma pulsado de nanoesferas superhidrofóbicas". Química de Materiales . 14 (11): 4566–4571. doi :10.1021/cm011600f.
42. Bico, J; Marzolín, C; Quéré, D (15 de septiembre de 1999). "Gotas de perlas". Cartas de Eurofísica (EPL) . 47 (6): 743–744. Código bibliográfico : 1999EL.....47..743B. doi : 10.1209/epl/i1999-00453-y .
43. Sangre joven, Jeffrey P.; Sottos, Nancy R. (31 de enero de 2011). "Materiales bioinspirados para la autolimpieza y la autocuración". Boletín SRA . 33 (8): 732–741. Código Bib : 2011MRSBu..33..732Y. doi : 10.1557/mrs2008.158 .
44. Gao, LC; McCarthy, TJ (2007). "Cómo se equivocaron Wenzel y Cassie". Langmuir . 23 (7): 3762–3765. doi :10.1021/la062634a. PMID  17315893.
45. Chen, W; Fadeev, Alexander Y.; Hsieh, Meng Che; Öner, Didem; Sangre joven, Jeffrey; McCarthy, Thomas J. (1999). "Superficies ultrahidrófobas y ultraliofóbicas: algunos comentarios y ejemplos". Langmuir . 15 (10): 3395–3399. doi :10.1021/la990074s.
46. Cañón, Andrew H; King, William P (28 de mayo de 2010). "Visualización de fenómenos de líneas de contacto en superficies superhidrófobas microestructuradas". Revista de ciencia y tecnología del vacío . 28 (3): L21. Código Bib : 2010JVSTB..28L..21C. doi : 10.1116/1.3432124.
47. Colmillo, Guoping; Li, Wen; Wang, Xiufeng; Qiao, Guanjun (21 de octubre de 2008). "Movimiento de gotas en superficies superhidrófobas microtexturizadas diseñadas con humectabilidad ajustable". Langmuir . 24 (20): 11651–11660. doi :10.1021/la802033q. PMID  18788770.
48. Choi, Wonjae; Tuteja, Anish; Chhatre, Shreerang; Mabry, José M.; Cohen, Robert E.; McKinley, Gareth H. (5 de junio de 2009). "Tejidos con oleofobicidad sintonizable". Materiales avanzados . 21 (21): 2190–2195. Código Bib : 2009AdM....21.2190C. doi :10.1002/adma.200802502. hdl : 1721.1/59316 . S2CID  135877014.
49. Lim, Ho Sun; Kwak, Donghoon; Lee, Dongyun; Lee, Seung Goo; Cho, Kilwon (abril de 2007). "Conmutación reversible impulsada por rayos UV de una película de óxido de vanadio similar a una rosa entre superhidrofobicidad y superhidrofilicidad". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 129 (14): 4128–4129. doi :10.1021/ja0692579. PMID  17358065.
50. Zhao, Ning; Xu, Jian; Xie, Qiongdan; Weng, Lihui; Guo, Xinglin; Zhang, Xiaoli; Shi, Lianghe (5 de julio de 2005). "Fabricación de recubrimiento biomimético superhidrófobo con una estructura micronano-binaria". Comunicaciones rápidas macromoleculares . 26 (13): 1075–1080. doi :10.1002/marc.200500188.
51. Kumar, Manish; Bhardwaj (2020). "Características de humectación de la hoja de Colocasia esculenta (Taro) y una superficie bioinspirada de la misma". Informes científicos . 10 (1): 935. Código bibliográfico : 2020NatSR..10..935K. doi :10.1038/s41598-020-57410-2. PMC 6976613 . PMID  31969578. 
52. Yao, Ke Xin; Zeng, Hua Chun (16 de diciembre de 2008). "Fabricación y Propiedades Superficiales de Películas Compuestas de SAM/Pt/ZnO/SiO ₂ ". Langmuir . 24 (24): 14234–14244. doi :10.1021/la802528y. PMID  19360946.
53. Zhang, Lishen; Zhou, Alvin G.; Sol, Brigitta R.; Chen, Kennedy S.; Yu, Hua-Zhong (12 de febrero de 2021). "Recubrimientos superhidrófobos funcionales y versátiles mediante silanización estequiométrica". Comunicaciones de la naturaleza . 12 (1): 982. Código bibliográfico : 2021NatCo..12..982Z. doi :10.1038/s41467-021-21219-y. ISSN  2041-1723. PMC 7881188 . PMID  33579959. 
54. Vakarelski, Ivan U.; Patankar, Neelesh A.; Marston, Jeremy O.; Chan, Derek YC; Thoroddsen, Sigurdur T. (12 de septiembre de 2012). "Estabilización de la capa de vapor de Leidenfrost mediante superficies texturizadas superhidrófobas". Naturaleza . 489 (7415): 274–277. Código Bib :2012Natur.489..274V. doi : 10.1038/naturaleza11418. PMID  22972299. S2CID  4411432.
55. Xue, Chao-Hua; Jia, Shun-Tian; Zhang, Jing; Tian, ​​Li-Qiang; Chen, Hong-Zheng; Wang, Mang (12 de enero de 2016). "Preparación de superficies superhidrófobas sobre textiles de algodón". Ciencia y Tecnología de Materiales Avanzados . 9 (3): 035008. Código bibliográfico : 2008STAdM...9c5008X. doi :10.1088/1468-6996/9/3/035008. PMC 5099662 . PMID  27878005. 
56. Xue, Chao-Hua; Jia, Shun-Tian; Chen, Hong-Zheng; Wang, Mang (12 de enero de 2016). "Tejidos de algodón superhidrófobos preparados mediante recubrimiento sol-gel de TiO2 e hidrofobización superficial". Ciencia y Tecnología de Materiales Avanzados . 9 (3): 035001. Código bibliográfico : 2008STAdM...9c5001X. doi :10.1088/1468-6996/9/3/035001. PMC 5099655 . PMID  27877998. 
57. Hsieh, Chien-Te; Wu, Fang-Lin; Yang, Shu-Ying (agosto de 2008). "Superhidrofobicidad de nano/microestructuras compuestas: tejidos de carbono recubiertos con nanopartículas de sílice". Tecnología de superficies y revestimientos . 202 (24): 6103–6108. doi :10.1016/j.surfcoat.2008.07.006.
58. Su, Changhong; Li, junio; Geng, Hongbin; Wang, Qingjun; Chen, Qingmin (diciembre de 2006). "Fabricación de una superficie superhidrófoba ópticamente transparente mediante la incorporación de nanosílice". Ciencia de superficies aplicada . 253 (5): 2633–2636. Código Bib : 2006ApSS..253.2633S. doi :10.1016/j.apsusc.2006.05.038.
59. Yuan, Zhiqing; Chen, Hong; Zhang, Jide; Zhao, Dejian; Liu, Yuejun; Zhou, Xiaoyuan; Li, canción; Shi, Pu; Tang, Jianxin; Chen, Xin (2008). "Preparación y caracterización de polietileno lineal de baja densidad superhidrófobo estable autolimpiante". Ciencia y Tecnología de Materiales Avanzados . 9 (4): 045007. Código bibliográfico : 2008STAdM...9d5007Y. doi :10.1088/1468-6996/9/4/045007. PMC 5099649 . PMID  27878035. 
60. Ressine, Anton; Marko-Varga, György; Laurell, Thomas (2007). "Tecnología de microarrays de proteínas de silicio poroso y estados ultra/superhidrófobos para una lectura bioanalítica mejorada" . Revisión anual de biotecnología. vol. 13. págs. 149-200. doi :10.1016/S1387-2656(07)13007-6. ISBN 978-0-444-53032-5. PMID  17875477.
61. Baidya, Avijit; Ganayee, Mohd Azhardin; Jakka Ravindran, Swathy; Tam, Kam Chiu; Das, Sarit Kumar; Ras, Robin HA; Pradeep, Thalappil (27 de octubre de 2017). "Fabricación orgánica sin disolventes de papel superhidrófobo duradero y multifuncional a partir de bloques de construcción de nanofibras de celulosa fluorada a base de agua". ACS Nano . 11 (11): 11091–11099. doi : 10.1021/acsnano.7b05170 . PMID  29059514.
62. Hur, Janet I.; Meng, Dennis D.; Kim, Chang-Jin (2010). "Chip de micropila de combustible sin membrana habilitado mediante autobombeo de mezcla de combustible y oxidante". 2010 IEEE 23ª Conferencia Internacional sobre Sistemas Micro Electromecánicos (MEMS) . págs. 168–71. doi :10.1109/MEMSYS.2010.5442538. ISBN 978-1-4244-5761-8. S2CID  36575746.
63. Miljkovic, Nenad; Muy bien, Ryan; Wang, Evelyn N. (13 de febrero de 2012). "Efecto de la morfología de las gotitas sobre la dinámica de crecimiento y la transferencia de calor durante la condensación en superficies nanoestructuradas superhidrófobas". ACS Nano . 6 (2): 1776–1785. doi :10.1021/nn205052a. hdl : 1721.1/85004 . PMID  22293016. S2CID  16701438.
64. Warsinger, David EM; Swaminathan, Jaichander; Maswadeh, Laith A.; Lienhard V, John H. (octubre de 2015). "Superficies de condensador superhidrófobas para destilación por membrana con espacio de aire". Revista de ciencia de membranas . 492 : 578–587. doi :10.1016/j.memsci.2015.05.067. hdl : 1721.1/102500 .
65. Kemsley, Jyllian (28 de enero de 2013). "Los óxidos de tierras raras son naturalmente hidrófobos". Noticias de química e ingeniería . 91 (4): 31.
66. Warsinger, David M.; Servi, Amelia; Van Belleghem, Sarah; González, Jocelyn; Swaminathan, Jaichander; Kharraz, Jehad; Chung, Hyung Won; Arafat, Hassan A.; Gleason, Karen K.; Lienhard V, John H. (mayo de 2016). "Combinación de recarga de aire y superhidrofobicidad de membrana para la prevención de incrustaciones en la destilación de membranas". Revista de ciencia de membranas . 505 : 241–252. doi :10.1016/j.memsci.2016.01.018. hdl : 1721.1/105438 . S2CID  4672323.
67. Servi, Amelia T.; Guillén-Burrieza, Elena; Warsinger, David M.; Livernois, William; Notarangelo, Katie; Kharraz, Jehad; Lienhard V, John H.; Arafat, Hassan A.; Gleason, Karen K. (febrero de 2017). "Los efectos del espesor y la conformidad de la película iCVD sobre la permeabilidad y la humectación de las membranas MD". Revista de ciencia de membranas . 523 : 470–479. doi :10.1016/j.memsci.2016.10.008. hdl : 1721.1/108260 . S2CID  4225384.
68. Nosonovsky, Michael; Hejazi, Vahid (25 de septiembre de 2012). "Por qué las superficies superhidrófobas no siempre son hielofóbicas". ACS Nano . 6 (10): 8488–8491. doi :10.1021/nn302138r. PMID  23009385.
69. Hejazi, Vahid; Sobolev, Konstantin; Nosonovsky, Michael (12 de julio de 2013). "De la superhidrofobicidad a la icefobicidad: análisis de fuerzas e interacciones". Informes científicos . 3 (1): 2194. Código bibliográfico : 2013NatSR...3E2194H. doi :10.1038/srep02194. PMC 3709168 . PMID  23846773. 
70. Chen, Xuemei; Mamá, Ruiyuan; Zhou, Hongbo; Zhou, Xiaofeng; Che, Lufeng; Yao, Shuhuai; Wang, Zuankai (28 de agosto de 2013). "Activación del efecto de borde a microescala en una superficie jerárquica para la supresión de la escarcha y la promoción de la descongelación". Informes científicos . 3 (1): 2515. Código Bib : 2013NatSR...3E2515C. doi :10.1038/srep02515. PMC 3755279 . PMID  23981909. 
71. Smith, J. David; Dhiman, Rajeev; Anand, Sushant; Reza-Garduno, Ernesto; Cohen, Robert E.; McKinley, Gareth H.; Varanasi, Kripa K. (2013). "Movilidad de las gotas sobre superficies impregnadas de lubricante". Materia Blanda . 9 (6): 1772-1780. Código Bib : 2013SMat....9.1772S. doi :10.1039/c2sm27032c. hdl : 1721.1/79068 .

enlaces externos

• ¿Qué son las superficies superhidrófobas?
• Shirtcliffe, Neil (1 de abril de 2008). "Sustancias superhidrófobas". Tubo de ensayo . Brady Haran para la Universidad de Nottingham .
• Mediciones de ángulos de contacto en superficies superhidrófobas en la práctica.