MADRID, 6 Oct. (EUROPA PRESS) -
Investigadores de la Universidad Estatal de Kansas han creado una superficie que puede retrasar de manera significativa la formación de hielo, incluso a temperaturas de hasta 6 grados bajo cero.
La superficie, cuyas características se detallan en 'Applied Physics Letters', puede repeler el agua en algunas zonas y atraerla en otras. "La gente intuitivamente sabe que la helada puede ser mala", señala Amy Betz, profesora de Ingeniería Mecánica en la Universidad Estatal de Kansas y autora del trabajo.
Estudios anteriores de otros grupos se han centrado principalmente en las propiedades de superficies superhidrófobas (ultra repelentes al agua) en la prevención de las heladas. En general, estas superficies funcionan al repeler las gotas de agua antes de que tengan tiempo de congelarse, pero hay poca investigación sobre superficies que mezclan áreas hidrofóbicas e hidrofílicas.
Betz tenía experiencia trabajando con este tipo de superficies 'bifílicas' para experimentos hirviendo. En 2012, esta experta y sus colegas encontraron que las superficies superhidrófilas con manchas hexagonales superhidrófobas dieron lugar a una transferencia más eficiente del calor durante la ebullición, en comparación con las superficies uniformes con capacidad de humectación. Se preguntó cómo superficies similares con "personalidad dividida" afectarían a la formación de hielo.
Betz, junto con la profesora de Ingeniería Mecánica de la Universidad Estatal de Kansas Melanie Derby, y los estudiantes Alexander Van Dyke y Diane Collard, creó tres patrones superficiales biofílicos diferentes. Cada superficie consistió en círculos hidrófilos sobre un fondo hidrófobo. Para dos de las superficies, los círculos eran de 200 micrómetros de diámetro y, o bien dispuestos en una cuadrícula, como los puntos en la cara de cuatro puntos de un dado, o escalonados, como los puntos en el lado de cinco puntos de un dado.
La tercera superficie consistía en pequeños círculos, de 25 micrómetros de tamaño, en una rejilla uniforme. Los investigadores también hicieron una superficie puramente hidrófoba y una superficie puramente hidrófila. Entonces, el equipo probó las superficies colocándolas en una cámara a una gama de un conjunto de temperaturas y humedades y esperó durante tres horas para ver si se formaba escarcha.
Aparecieron cristales de hielo a temperaturas más cálidas en la superficie hidrófila, en alrededor de 2,1 grados centígrados bajo cero. La superficie hidrófoba disminuyó la temperatura requerida para la congelación en el marco de tiempo de tres horas en aproximadamente un adicional de 1 grado. Pero las superficies bifílicas tuvieron más éxito: a una humedad relativa del 60 por ciento, las tres superficies bifílicas requirieron temperaturas de alrededor de 6 grados bajo cero para que se formara hielo a lo largo de tres horas.
Los investigadores atribuyen las propiedades de colapso de las heladas a la inusual condensación y la dinámica de coalescencia dinámica en las superficies bifílicas. Inicialmente, se formaron pequeñas gotas de aproximadamente 5 micrómetros de diámetro en ambas zonas, hidrófoba e hidrófila, relata Betz, pero como las gotitas crecieron, se fusionaron con otras gotitas y se confinaron en manchas hidrófilas.
Cada vez que una gota se fusionaba con otra gotita, se liberaba energía mantenida por la tensión superficial, debido a que el área superficial de la nueva gotita era más pequeña que el área de superficie combinada de las dos gotitas antes de la fusión. La nuevo gotita también era más grande, lo que aumentó la liberación de la energía necesaria para congelarla. Ambos factores retrasaron la congelación de las gotas, según los investigadores.
Los científicos creen que pueden cambiar el patrón bifílico para sacar el máximo provecho al retraso de la helada que las gotitas de coalescencia proporcionan. "Actualmente, estamos trabajando en una forma de estrella que debe maximizar la coalescencia", adelanta Betz. Los tamaños y formas de las superficies también podrían estar sintonizados para resistir mejor las heladas, en particular, la temperatura ambiente y la humedad.
Los autores fabricaron las superficies de obleas de silicio y una capa delgada de un producto químico hidrófobo usado comúnmente en la industria de los semiconductores. Las superficies eran lo suficientemente fuertes como para soportar cientos de horas de pruebas durante dos años, por lo que Betz cree que probablemente se emplearán materiales más robustos para aplicaciones comerciales de superficies resistentes a las heladas. Según esta experta, las alas de los aviones son una aplicación obvia, pero hay muchas otras, como refrigeradores, acondicionadores de aire y condensadores de aire frío en las plantas de energía.
