En química , la hidrofobicidad es la propiedad química de una molécula que aparentemente es repelida por una masa de agua (llamada hidrófoba ). [1] Por el contrario, los hidrófilos son atraídos por el agua.
Las moléculas hidrófobas tienden a ser no polares y, por lo tanto, prefieren otras moléculas neutras y disolventes no polares . Debido a que las moléculas de agua son polares, los hidrófobos no se disuelven bien entre ellas. Las moléculas hidrófobas en el agua a menudo se agrupan y forman micelas . El agua sobre superficies hidrófobas exhibirá un ángulo de contacto alto .
Entre los ejemplos de moléculas hidrófobas se incluyen los alcanos , los aceites , las grasas y las sustancias grasosas en general. Los materiales hidrófobos se utilizan para la eliminación de petróleo del agua, la gestión de derrames de petróleo y los procesos de separación química para eliminar sustancias no polares de los compuestos polares. [2]
El término hidrofóbico suele utilizarse indistintamente con el de lipofílico , que es "que ama las grasas". Sin embargo, ambos términos no son sinónimos. Si bien las sustancias hidrofóbicas suelen ser lipofílicas, existen excepciones, como las siliconas y los fluorocarbonos . [ cita requerida ]
El término hidrófobo proviene del griego antiguo ὑδρόφοβος ( hydróphobos ), "que tiene miedo al agua", construido a partir del griego antiguo ὕδωρ (húdōr) 'agua' y del griego antiguo φόβος (phóbos) 'miedo'. [3]
La interacción hidrofóbica es principalmente un efecto entrópico que se origina a partir de la interrupción de los enlaces de hidrógeno altamente dinámicos entre las moléculas de agua líquida por el soluto no polar, lo que hace que el agua forme una estructura similar a un clatrato alrededor de las moléculas no polares. Esta estructura formada está más ordenada que las moléculas de agua libre debido a que las moléculas de agua se organizan para interactuar lo más posible entre sí, y por lo tanto da como resultado un estado entrópico más alto que hace que las moléculas no polares se agrupen para reducir el área superficial expuesta al agua y disminuir la entropía del sistema. [4] [5] Por lo tanto, las dos fases inmiscibles (hidrófila vs. hidrófoba) cambiarán de modo que su área interfacial correspondiente será mínima. Este efecto se puede visualizar en el fenómeno llamado separación de fases . [ cita requerida ]
Las superficies superhidrofóbicas , como las hojas de la planta de loto, son aquellas que son extremadamente difíciles de humedecer. Los ángulos de contacto de una gota de agua superan los 150°. [6] Esto se conoce como el efecto loto y es principalmente una propiedad química relacionada con la tensión interfacial , más que una propiedad química. [7]
En 1805, Thomas Young definió el ángulo de contacto θ analizando las fuerzas que actúan sobre una gota de fluido que reposa sobre una superficie sólida rodeada por un gas. [8]
dónde
θ se puede medir utilizando un goniómetro de ángulo de contacto .
Wenzel determinó que cuando el líquido está en contacto íntimo con una superficie microestructurada, θ cambiará a θ W*
donde r es la relación entre el área real y el área proyectada. [9] La ecuación de Wenzel muestra que la microestructuración de una superficie amplifica la tendencia natural de la superficie. Una superficie hidrófoba (una que tiene un ángulo de contacto original mayor a 90°) se vuelve más hidrófoba 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 menor a 90°) se vuelve más hidrófila cuando se microestructura: su nuevo ángulo de contacto se vuelve menor que el original. [10] Cassie y Baxter descubrieron que si el líquido está suspendido en las partes superiores de las microestructuras, θ cambiará a θ CB* :
donde φ es la fracción de área del sólido que toca el líquido. [11] El líquido en el estado Cassie-Baxter es más móvil que en el estado Wenzel. [ cita requerida ]
Podemos predecir si debería existir el estado de Wenzel o Cassie-Baxter calculando el nuevo ángulo de contacto con ambas ecuaciones. Mediante un argumento de minimización de la energía libre, la relación que predijo el nuevo ángulo de contacto más pequeño es el estado con mayor probabilidad de existir. Expresado en términos matemáticos, para que exista el estado de Cassie-Baxter, debe cumplirse la siguiente desigualdad. [12]
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 sin soporte y 2) Las microestructuras son lo suficientemente altas para evitar que el líquido que une las microestructuras toque la base de las mismas. [13]
Recientemente se ha desarrollado un nuevo criterio para el cambio entre los estados de Wenzel y Cassie-Baxter basado en la rugosidad de la superficie y la energía de la superficie . [14] El criterio se centra en la capacidad de atrapar aire debajo de las gotas de líquido en superficies rugosas, lo que podría indicar si se debe utilizar el modelo de Wenzel o el de Cassie-Baxter para cierta combinación de rugosidad de la superficie y energía. [ cita requerida ]
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. [15] Cuando una pipeta inyecta un líquido sobre un sólido, el líquido formará un 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 de repente avance 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 fuera de la gota. La gota disminuirá de volumen, el ángulo de contacto disminuirá, pero su límite trifásico permanecerá estacionario hasta que de repente retroceda 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 que avanzan y retroceden se denomina histéresis del ángulo de contacto y se puede utilizar para caracterizar la heterogeneidad, la rugosidad y la movilidad de la superficie. [16] Las superficies que no son homogéneas tendrán dominios que impiden el movimiento de la línea de contacto. El ángulo de deslizamiento es otra medida dinámica de la hidrofobicidad y se mide depositando una gota sobre una superficie e inclinándola hasta que la gota comience a deslizarse. En general, los líquidos en el estado Cassie-Baxter presentan ángulos de deslizamiento e histéresis del ángulo de contacto más bajos que los del estado Wenzel. [ cita requerida ]
Dettre y Johnson descubrieron en 1964 que el fenómeno del efecto loto superhidrofóbico estaba relacionado con superficies hidrófobas rugosas, y desarrollaron un modelo teórico basado en experimentos con perlas de vidrio recubiertas con parafina o telómero TFE. La propiedad de autolimpieza de superficies micro- nanoestructuradas superhidrofóbicas se informó en 1977. [17] Se desarrollaron materiales superhidrofóbicos formados por plasma de RF, perfluoroalquilo y perfluoroéter, se utilizaron para electrohumectación y se comercializaron para aplicaciones biomédicas entre 1986 y 1995. [18] [19] [20] [21] Desde mediados de la década de 1990 han surgido otras tecnologías y aplicaciones. [22] En 2002 se divulgó una composición jerárquica superhidrofóbica duradera, aplicada en uno o dos pasos, que comprende partículas de tamaño nanométrico ≤ 100 nanómetros que recubren una superficie que tiene características de tamaño micrométrico o partículas ≤ 100 micrómetros. Se observó que las partículas más grandes protegían a las partículas más pequeñas de la abrasión mecánica. [23]
En investigaciones recientes, se ha informado de superhidrofobicidad al permitir que el dímero de alquilcetena (AKD) se solidifique en una superficie fractal nanoestructurada. [24] Desde entonces, muchos artículos han presentado métodos de fabricación para producir superficies superhidrofóbicas, incluida la deposición de partículas, [25] técnicas sol-gel, [26] tratamientos de plasma, [27] deposición de vapor, [25] y técnicas de fundición. [28] La oportunidad actual para el impacto de la investigación radica principalmente en la investigación fundamental y la fabricación práctica. [29] Recientemente han surgido debates sobre la aplicabilidad de los modelos de Wenzel y Cassie-Baxter. En un experimento diseñado para desafiar la perspectiva de 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 hidrófobo liso en un campo hidrófobo rugoso, un punto hidrófobo rugoso en un campo hidrófobo liso y un punto hidrófilo en un campo hidrófobo. [30] Los experimentos demostraron que la química y la geometría de la superficie en la línea de contacto afectaban el ángulo de contacto y la histéresis del ángulo de contacto , pero el área de la superficie dentro de la línea de contacto no tenía ningún efecto. También se ha propuesto un argumento de que el aumento de la irregularidad en la línea de contacto mejora la movilidad de las gotas. [31]
Muchos materiales hidrófobos que se encuentran en la naturaleza se basan en la ley de Cassie y son bifásicos a nivel submicrométrico con un componente aire. El efecto loto se basa en este principio. Inspirándose en él , se han preparado muchas superficies superhidrófobas funcionales. [32]
Un ejemplo de material superhidrofóbico biónico o biomimético en nanotecnología es la película nanopin . [ cita requerida ]
Un estudio presenta una superficie de pentóxido de vanadio que cambia reversiblemente entre superhidrofobicidad y superhidrofilicidad bajo la influencia de la radiación UV. [33] 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 UV crea pares electrón-hueco , y los huecos reaccionan con el oxígeno reticular, creando vacantes de oxígeno en la superficie, mientras que los electrones reducen V 5+ a V 3+ . Las vacantes de oxígeno son ocupadas por agua, y es esta absorción de agua por la superficie de vanadio lo que la hace hidrófila. Mediante un almacenamiento prolongado en la oscuridad, el agua es reemplazada por oxígeno y la hidrofilicidad se pierde una vez más. [ cita requerida ]
Una gran mayoría de superficies hidrofóbicas tienen sus propiedades hidrofóbicas impartidas por la modificación estructural o química de una superficie de un material a granel, ya sea a través de recubrimientos o tratamientos de superficie. Es decir, la presencia de especies moleculares (generalmente orgánicas) o características estructurales da como resultado ángulos de contacto altos del agua. En los últimos años, se ha demostrado que los óxidos de tierras raras poseen hidrofobicidad intrínseca. [34] La hidrofobicidad intrínseca de los óxidos de tierras raras depende de la orientación de la superficie y los niveles de vacancia de oxígeno, y es naturalmente más robusta que los recubrimientos o tratamientos de superficie, teniendo aplicaciones potenciales en condensadores y catalizadores que pueden operar a altas temperaturas o entornos corrosivos. [35]
El hormigón hidrófobo se produce desde mediados del siglo XX. [ cita requerida ]
Las recientes investigaciones activas sobre materiales superhidrofóbicos podrían eventualmente conducir a más aplicaciones industriales. [36]
Se ha descrito una rutina sencilla de recubrimiento de tejido de algodón con partículas de sílice [37] o titania [38] mediante la técnica sol-gel , que protege el tejido de la luz UV y lo vuelve superhidrofóbico.
Se ha informado de una rutina eficaz para hacer que el polietileno sea superhidrofóbico y, por lo tanto, autolimpiante. [39] El 99% de la suciedad en dicha superficie se elimina fácilmente.
Las superficies superhidrofóbicas estampadas también son prometedoras para los dispositivos microfluídicos de laboratorio en un chip y pueden mejorar drásticamente el bioanálisis basado en superficies. [40]
En el sector farmacéutico, la hidrofobicidad de las mezclas farmacéuticas afecta a importantes atributos de calidad de los productos finales, como la disolución del fármaco y la dureza . [41] Se han desarrollado métodos para medir la hidrofobicidad de los materiales farmacéuticos. [42] [43]
El desarrollo de superficies de refrigeración radiativa pasiva diurna (PDRC) hidrófobas , cuya eficacia en cuanto a reflectancia solar y emisión térmica se basa en su limpieza, ha mejorado la "autolimpieza" de estas superficies. Se han desarrollado PDRC hidrófobas escalables y sostenibles que evitan los COV . [44]
