Los plastrones repelentes al agua mantienen las superficies secas durante meses bajo el agua

A

” datos-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>especies de araña vive toda su vida bajo el agua, a pesar de tener pulmones que sólo pueden respirar oxígeno atmosférico. ¿Cómo lo hace? Esta araña, conocida como Argyroneta acuáticatiene millones de pelos ásperos y repelentes al agua que atrapan el aire alrededor de su cuerpo, creando un depósito de oxígeno y actuando como una barrera entre los pulmones de la araña y el agua.

Aprovechamiento de plastrones para la ciencia de materiales

Esta fina capa de aire se llama plastrón y durante décadas los científicos de materiales han intentado aprovechar sus efectos protectores. Hacerlo podría dar lugar a superficies superhidrófobas submarinas capaces de prevenir la corrosión, el crecimiento bacteriano, la adhesión de organismos marinos, la contaminación química y otros efectos nocivos del líquido en las superficies. Pero los plastrones han demostrado ser muy inestables bajo el agua, manteniendo las superficies secas sólo durante unas horas en el laboratorio.

Ahora, un equipo de investigadores dirigido por la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS), el Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de Harvard, la Universidad Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg en Alemania y la Universidad Aalto en Finlandia ha desarrollado una superficie superhidrófoba con un plastrón estable que puede durar meses bajo el agua. La estrategia general del equipo para crear superficies superhidrófobas submarinas duraderas, que repelen la sangre y reducen o previenen drásticamente la adhesión de organismos bacterianos y marinos como percebes y mejillones, abre una gama de aplicaciones en biomedicina e industria.

Descubrimientos y desafíos de la investigación

“La investigación en materiales bioinspirados es un área extremadamente interesante que continúa aportando al ámbito de los materiales artificiales soluciones elegantes evolucionadas en la naturaleza, lo que nos permite introducir nuevos materiales con propiedades nunca antes vistas”, dijo Joanna Aizenberg, profesora Amy Smith Berylson. de Ciencia de Materiales y Profesor de Química y Biología Química en SEAS y coautor del artículo. “Esta investigación ejemplifica cómo descubrir estos principios puede conducir al desarrollo de superficies que mantienen la superhidrofobicidad bajo el agua”.

Aizenberg también es miembro asociado de la facultad del Instituto Wyss.

La investigación se publica en Materiales de la naturaleza.

Los investigadores saben desde hace 20 años que un plastrón submarino estable era teóricamente posible pero, hasta ahora, no han podido demostrarlo experimentalmente.

Uno de los mayores problemas con los plastrones es que necesitan superficies rugosas para formarse, como el pelo de Argyroneta acuática. Pero esta rugosidad hace que la superficie sea mecánicamente inestable y susceptible a cualquier pequeña perturbación de temperatura, presión o pequeño defecto.

Una superficie aerófila hecha de una aleación de titanio económica y de uso común con un plastrón duradero se mantiene seca durante cientos de sumergimientos en una placa de Petri con sangre. Crédito: Alexander B. Tesler/Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Técnicas y hallazgos innovadores

Las técnicas actuales para evaluar superficies superhidrófobas creadas artificialmente sólo tienen en cuenta dos parámetros, lo que no proporciona suficiente información sobre la estabilidad del plastrón de aire bajo el agua. Aizenberg, Jaakko VI Timonen y Robin HA Ras de la Universidad de Aalto, y Alexander B. Tesler y Wolfgang H. Goldmann de FAU y sus equipos identificaron un grupo más grande de parámetros, incluida información sobre la rugosidad de la superficie, la hidrofobicidad de las moléculas de la superficie y la cobertura del plastrón. , ángulos de contacto y más, que, combinados con la teoría termodinámica, les permitieron descubrir si el plastrón de aire sería estable.

Con este nuevo método y una técnica de fabricación sencilla, el equipo diseñó la llamada superficie aerófila a partir de un titanio económico y de uso común.

” datos-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>aleación con un plastrón de larga duración que mantuvo la superficie seca miles de horas más que experimentos anteriores e incluso más que los plastrones de especies vivas.

“Utilizamos un método de caracterización sugerido por teóricos hace 20 años para demostrar que nuestra superficie es estable, lo que significa que no solo hemos creado un nuevo tipo de superficie superhidrófoba extremadamente repelente y duradera, sino que también podemos tener una vía de hacerlo de nuevo con un material diferente”, dijo Tesler, ex becario postdoctoral en SEAS y el Instituto Wyss, y autor principal del artículo.

Para demostrar la estabilidad del plastrón, los investigadores pusieron la superficie a prueba: doblándola, retorciéndola, lavándola con agua fría y caliente y frotándola con arena y acero para bloquear la superficie y seguir siendo aerófila. Sobrevivió 208 días sumergido en agua y cientos de sumergidos en una placa de Petri con sangre. Redujo severamente el crecimiento de E. coli y percebes en su superficie y detuvo por completo la adherencia de los mejillones.

Aplicaciones y perspectivas futuras

“La estabilidad, simplicidad y escalabilidad de este sistema lo hacen valioso para aplicaciones del mundo real”, afirmó Stefan Kolle, estudiante de posgrado en SEAS y coautor del artículo. “Con el enfoque de caracterización que se muestra aquí, demostramos un conjunto de herramientas simple que le permite optimizar su superficie superhidrófoba para alcanzar la estabilidad, lo que cambia drásticamente su espacio de aplicación”.

Ese espacio de aplicaciones incluye aplicaciones biomédicas, donde podría usarse para reducir la infección después de la cirugía o como implantes biodegradables como stents, según Goldmann, autor principal del artículo y ex becario de Harvard. También incluye aplicaciones submarinas, donde podría prevenir la corrosión en tuberías y sensores. En el futuro, incluso podría usarse en combinación con el recubrimiento súper resbaladizo conocido como SLIPS, las superficies porosas resbaladizas con infusión de líquido, desarrollado por Aizenberg y su equipo hace más de una década, para proteger aún más las superficies de la contaminación.

Referencia: “Estabilidad a largo plazo de superficies metálicas aerófilas bajo el agua” por Alexander B. Tesler, Stefan Kolle, Lucia H. Prado, Ingo Thievessen, David Böhringer, Matilda Backholm, Bhuvaneshwari Karunakaran, Heikki A. Nurmi, Mika Latikka, Lena Fischer, Shane Stafslien, Zoran M. Cenev, Jaakko VI Timonen, Mark Bruns, Anca Mazare, Ulrich Lohbauer, Sannakaisa Virtanen, Ben Fabry, Patrik Schmuki, Robin HA Ras, Joanna Aizenberg y Wolfgang H. Goldmann, 18 de septiembre de 2023, Materiales de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41563-023-01670-6

Este artículo fue coautor de Lucia H. Prado, Ingo Thievessen, David Böhringer, Lena Fischer, Mark Bruns, Anca Mazare, Ulrich Lohbauer, Sannakaisa Virtanen, Ben Fabry, Patrik Schmuki y Wolfgang H. Goldmann del Friedrich-Alexander- Universidad de Erlangen-Nuremberg en Alemania; y Matilda Backholm, Bhuvaneshwari Karunakaran, Heikki A. Nurmi, Mika Latikka, Zoran M. Cenev, Jaakko VI Timonen y Robin HA Ras de la Universidad Aalto de Finlandia; y Shane Stafslien de la Universidad Estatal de Dakota del Norte.