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Un nuevo sistema desarrollado por ingenieros en el Instituto de Tecnología de Massachusetts podría permitir controlar la forma en que el agua se mueve sobre una superficie, utilizando sólo la luz.
Este avance puede abrir la puerta a tecnologías como dispositivos de diagnóstico microfluídico cuyos canales y válvulas podrían ser reprogramados sobre la marcha, o sistemas de campo que podrían separar el agua del petróleo en una plataforma de perforación, dicen los investigadores.
El sistema, publicado en la revista Nature Communications, fue desarrollado por un equipo liderador por el profesor asociado de ingeniería mecánica Kripa Varanasi.
El objetivo inicial del proyecto era encontrar formas de separar el petróleo del agua, por ejemplo, para tratar la espumosa mezcla de agua salada y petróleo crudo producida en ciertos pozos petroleros. Cuanto más se mezclan estas mezclas - cuanto más finas sean las gotitas - más difícil será separarlas. A veces se utilizan métodos electrostáticos, pero éstos requieren mucha energía y no funcionan cuando el agua es muy salina, como suele ser el caso. En cambio, el equipo exploró el uso de superficies "fotorreactivas", cuyas respuestas al agua pueden ser alteradas por la exposición a la luz.
Al crear superficies cuyas interacciones con el agua -una propiedad conocida como humectabilidad- podrían ser activadas por la luz, los investigadores descubrieron que podrían separar directamente el aceite del agua causando que las gotitas individuales de agua se unieran y se extendieran por la superficie. Cuanto más se fusionan las gotitas de agua, más se separan del aceite.
Los materiales fotosensibles han sido ampliamente estudiados y utilizados; Un ejemplo es el ingrediente activo en la mayoría de los filtros solares, dióxido de titanio, también conocido como titania. Pero la mayoría de estos materiales, incluida la titania, responden principalmente a la luz ultravioleta y casi nada a la luz visible. Sin embargo, sólo alrededor del 5% de la luz solar está en el rango ultravioleta. Así que los investigadores descubrieron una manera de tratar la superficie de titania para que sea sensible a la luz visible.
Lo hicieron utilizando primero una técnica de deposición capa por capa para construir una película de partículas de titania unidas a polímero sobre una capa de vidrio. Luego se recubrieron el material con un simple tinte orgánico.
La superficie resultante resultó ser muy sensible a la luz visible, produciendo un cambio en la humectabilidad cuando se expone a la luz solar que es mucho mayor que la de la propia titania. Cuando se activaba por la luz del sol, el material demostró ser muy eficaz en "desmulsionar" la mezcla de aceite y agua, consiguiendo que el agua y el aceite se separaran entre sí.
"Nos inspiró el trabajo en fotovoltaica, donde la sensibilización de tinte se utilizó para mejorar la eficiencia de absorción de la radiación solar", dice Varansi. "El acoplamiento del colorante a las partículas de titania permite la generación de portadores de carga a la iluminación de la luz, lo que crea una diferencia de potencial eléctrico que se establece entre la superficie y el líquido tras la iluminación y conduce a un cambio en las propiedades humectantes".
"El agua salina se extiende en nuestra superficie bajo iluminación, pero el petróleo no lo hace", dice Gibum Kwon, miembro del equipo y ahora profesor asistente en la Universidad de Kansas. "Encontramos que prácticamente toda el agua de mar se extenderá en la superficie y se separará del crudo, bajo luz visible".
El mismo efecto también podría ser utilizado para impulsar gotitas de agua a través de una superficie, como el equipo demostró en una serie de experimentos. Mediante el cambio selectivo de la humectabilidad del material usando un haz de luz móvil, una gotita puede dirigirse hacia el área más mojable, impulsándola en cualquier dirección deseada con gran precisión. Tales sistemas podrían diseñarse para fabricar dispositivos microfluídicos sin límites o estructuras integrados. El movimiento del líquido - por ejemplo una muestra de sangre en un laboratorio de diagnóstico sobre un chip - estaría completamente controlado por el patrón de iluminación proyectado sobre él.
"Al estudiar sistemáticamente la relación entre los niveles de energía del colorante y la humectabilidad del líquido en contacto, hemos creado un marco para el diseño de estos sistemas de manipulación de líquidos guiados por luz", dice Varanasi. "Al elegir el tipo de tinte adecuado, podemos crear un cambio significativo en la dinámica de las gotitas. Es un movimiento inducido por la luz - un movimiento sin contacto de las gotitas".
La humectabilidad conmutable de estas superficies tiene otro beneficio: pueden ser en gran medida autolimpiantes.
Cuando la superficie se cambia de atrayente de agua (hidrófilo) a repelente de agua (hidrófobo), cualquier agua en la superficie se expulsa, llevando consigo cualquier contaminante que se haya acumulado.
Dado que el efecto fotorreactivo se basa en el revestimiento de tinte, puede ajustarse muy bien seleccionando entre los miles de tintes orgánicos disponibles. Todos los materiales involucrados en el proceso son ampliamente disponibles y de bajo costo, y los procesos para logarlos son comunes.
jpe
