¿Cómo se pueden producir gotas nanométricas de forma controlada?

Cuando una gota cae sobre una flor de loto, permanece sobre la superficie sin llegar a mojarla. Esto se debe, por un lado, a los componentes químicos de las hojas de esta planta, que repelen el agua porque son hidrofóbicos, y por otro, a la nanoestructura de la superficie, que contribuye todavía más a repeler el agua. Basándose en estas propiedades nanoestructuradas de las superficies, investigadores de la Facultad de Física de la Universidad de Barcelona han llevado a cabo un estudio, publicado en la revista Nature materials, en el que se muestran cuáles son las condiciones físicas necesarias para la formación controlada de gotas con proporciones de entre la micro y la nanoescala.

En el trabajo se han determinado las diferentes condiciones físicas para que un fluido se desestabilice para formar gotas en función de las características de mojado de la superficie. Como explica Ignasi Pagonabarraga, profesor del Departamento de Física Fundamental de la UB y uno de los autores del trabajo, «la interacción del fluido con la superficie se puede utilizar para controlar con precisión el tamaño y el periodo en el que aparecen las gotas. Aunque existen otros métodos para crear gotas micrométricas, la afinidad de los líquidos con las superficies sólidas abre un escenario más versátil para la producción y el control de gotas hasta la nanoescala».

Según la profesora del Departamento de Estructura y Constituyentes de la Materia de la UB y coautora del trabajo, Aurora Hernández-Machado, «la miniaturización en los líquidos es importante para mejorar la eficiencia y optimizar el gasto de sustancias, como los fármacos, los cosméticos o la tinta, lo cual permitiría abaratar los procesos asociados a la producción y al control de estos productos. Por otro lado, el modelo físico, que se podría definir como el de un dispensador microfluídico de las diferentes sustancias, permite superar las limitaciones asociadas a los procesos actuales de formación de gotas, por un lado, y llegar a escalas nanométricas, por otro».

Uno de los campos con más aplicaciones para este tipo de procesos es el de los dispositivos llamados lab-on-a-chip (LOC), que integran varias funciones de análisis de laboratorio en pocas micras y requieren volúmenes muy pequeños de líquido para llevar a cabo los correspondientes análisis. Las dinámicas para la formación de gotas submicrométricas tienen aplicaciones tecnológicas en otros campos, por ejemplo en el control de la administración de fármacos o en la formación de emulsiones como las que se utilizan en las cremas cosméticas llamadas de caviar, formadas por pequeñas gotas de sustancias con determinadas propiedades dentro de otro fluido. También es aplicable a otras tecnologías, como a la distribución de tinta en las impresoras.

Desde el punto de vista físico, las gotas se generan por una inestabilidad del fluido. En el estudio se presenta un mecanismo de desestabilización de la adherencia del microfilamento del fluido en diferentes tipos de superficies. Los investigadores han determinado el equilibrio de fuerzas que determina el mecanismo de emisión de gotas en el que intervienen la capilaridad del fluido, la fricción viscosa con la superficie sólida y la gravedad. Este balance de fuerzas y el tamaño de la superficie determinan el tamaño de las gotas emitidas, que pueden llegar a ser nanométricas. Por otra parte, también se ha observado que la emisión depende en gran parte del ángulo estático de mojado, es decir, del ángulo que forma la gota con la superficie de contacto. Cuanto mayor es este ángulo, más hidrofóbica es la superficie.

En los experimentos que se han llevado a cabo, que en todos los casos han sido de agua en aire, para mostrar el funcionamiento del modelo físico se ha llegado a la creación de gotas del orden de micras, pero el modelo permite producir hasta gotas nanométricas. En el estudio se han analizado desde superficies hidrofílicas hasta sustratos superhidrofóbicos y los autores muestran cómo las propiedades de mojado se pueden utilizar para localizar el punto de emisión del goteo. De esta forma, variando las propiedades químicas y nanoestructurales de la superficie es posible modificar este ángulo y controlar la dinámica del proceso de formación de gotas.

Referencia del artículo:
Rodrigo Ledesma-Aguilar, Raul Nistal, Aurora Hernández-Machado e Ignasi Pagonabarraga. «Controlled drop emission by wetting properties in driven liquid filaments». Nature Materials (abril, 2011). DOI: 10.1038/NMAT2998

Fuente: Universidad de Barcelona.