Abismos microscópicos que forman un mar de picos cónicos irregulares salpican la superficie de un material llamado silicio negro. Si bien se encuentra comúnmente en la tecnología de células solares, el silicio negro también se utiliza como herramienta para estudiar la física de cómo se comportan las gotas de agua.
El silicio negro es un material superhidrófobo, lo que significa que repele el agua. Debido a las propiedades únicas de tensión superficial del agua, las gotas se deslizan a través de materiales texturizados como el silicio negro al deslizarse sobre una delgada película de aire atrapada debajo. Esto funciona muy bien cuando las gotas se mueven lentamente: se deslizan y deslizan sin problemas.
Pero cuando la gota se mueve más rápido, una fuerza desconocida parece tirar de su parte más vulnerable. Esto ha dejado perplejos a los físicos, pero ahora un equipo de investigadores de la Universidad Aalto y ESPCI París tienen una explicación y los números que la respaldan.
La profesora asistente de la Universidad Aalto, Matilda Backholm, es la primera autora del artículo que detalla estos hallazgos, publicado el 15 de abril en la revista Actas de la Academia Nacional de Ciencias. Lo llevó a cabo durante su etapa como investigadora postdoctoral en el grupo de Materia Blanda y Humectación del profesor Robin Ras en el Departamento de Física Aplicada.
“Al observar las interacciones agua-superficie, normalmente hay tres fuerzas en juego: fricción de la línea de contacto, pérdidas viscosas y resistencia del aire. Sin embargo, hay una cuarta fuerza que surge del movimiento de las gotas sobre superficies muy resbaladizas como el silicio negro. En realidad, este movimiento crea un efecto de cizallamiento en el aire atrapado debajo, lo que resulta en una fuerza similar a la de un arrastre sobre la propia gota. Esta fuerza de corte nunca se había explicado antes y somos los primeros en identificarla”, afirma Backholm.
Las complejas interacciones de la física de fluidos y materia blanda resultan difíciles de simplificar en fórmulas sencillas. Pero Backholm ha conseguido desarrollar una la tecnología medir estas pequeñas fuerzas, explicar cómo funciona la fuerza y, finalmente, proporcionar la solución para eliminar por completo la fuerza de arrastre.
Efecto de corte de aire
La creación de mejores superficies superhidrófobas haría que los sistemas de transporte del mundo fueran más aerodinámicos, los dispositivos médicos más estériles y, en general, mejoraría la resbaladiza de cualquier cosa que requiera una superficie repelente de líquidos.
El silicio negro aprovecha la tensión superficial específica del agua para minimizar el contacto entre la gota y la superficie. Los conos grabados en el sustrato hacen que las gotas de agua se deslicen sobre un espacio de película de aire, conocido como plastrón. Pero en un giro contrario a la intuición, el mismo mecanismo que permite que las superficies hidrofóbicas desvíen las gotas de agua también conduce al efecto de corte descrito en el artículo de Backholm.
“El campo ha estado creando estas superficies ultra resbaladizas reduciendo la escala de longitud de los conos para hacerlos más pequeños y más abundantes. Pero nadie se ha detenido a darse cuenta: 'Oye, aquí en realidad estamos trabajando contra nosotros mismos'. En realidad, grabar conos más cortos sobre la superficie de silicio negro produce un mayor efecto de corte del aire”, afirma Backholm.
Otros investigadores han notado la existencia de esta fuerza pero no han podido explicarla. Los hallazgos de Backholm impulsan una reconsideración de la forma en que se diseñan las superficies ultra resbaladizas. La solución de su equipo fue agregar conos más altos con tapas texturizadas sobre la superficie de silicio negro para minimizar aún más la superficie total de contacto de las gotas.
“Este trabajo se basa en la gran experiencia del grupo de investigación Soft Matter and Wetting sobre el tema de las superficies superhidrófobas. Rara vez surge la oportunidad de explicar completamente las sutilezas de las fuerzas microscópicas involucradas en la dinámica de humectación, pero este artículo logra precisamente eso”, dice Ras.
Técnica especializada
Backholm adaptó una técnica única de medición con micropipetas para medir las fuerzas que actúan contra las gotas de agua. Es experta en estos sensores de fuerza de micropipetas y los ha utilizado para medir la dinámica de crecimiento de las raíces de las plantas, el comportamiento de natación de enjambres mesoscópicos de camarones y ahora en la observación de las fuerzas en las gotas de agua en movimiento.
A través de arduos ajustes, pudo utilizar esta técnica para lograr un gran avance en la identificación del efecto de corte. Backholm hizo oscilar la gota y la sonda para detectar las fuerzas sutiles que tiraban debajo.
“También hemos descartado la posibilidad de que existan otras fuerzas en juego en la línea de contacto al realizar estas mismas pruebas en gotas carbonatadas. Esas gotas liberan constantemente dióxido de carbono, lo que hace que levitan ligeramente por encima de las superficies sobre las que se asientan. Aún así, el efecto de cizallamiento se midió a determinadas velocidades, lo que finalmente confirmó que esta fuerza actúa independientemente de su contacto con la superficie de silicio negro”, afirma Backholm.
Backholm espera que estos hallazgos permitan a los físicos e ingenieros desarrollar superficies hidrofóbicas con mejor rendimiento.