Los insectos muestran formas inesperadas de hacer superficies repelentes al agua
ARRIBA: Una imagen óptica de un mosquito. El recuadro muestra la disposición compacta de texturas a nanoescala en su ojo compuesto (aumento de 15 000).LIN WANG, PENN STATE
Durante las últimas décadas, la hoja de loto ha sido el modelo para superficies resbaladizas e impermeables. La hoja está cubierta de pilares a escala micro que están decorados con estructuras diminutas, como un bosque microscópico, explica el científico de materiales de Penn State, Tak-Sing Wong. La densidad de los árboles es relativamente baja, creando una fina capa de aire entre la superficie de la hoja de loto y el dosel. Cuando una gota de agua cae sobre la hoja de loto, se asienta en la bolsa de aire y se vuelve muy móvil, como un disco en una superficie de hockey de aire.
Es lógico pensar que otros organismos repelentes al agua también podrían usar esta estrategia, pero para sorpresa de Wong y sus colegas, eso no es lo que encontraron en su última investigación: ojos de mosquito, alas de cigarra y cuerpos de colémbolo, descritos en Science Advances hoy (17 de julio). En la analogía del árbol, no hay ningún árbol, solo pastizales, explica Wong. En lugar de un bosque ralo, las superficies de estos insectos están cubiertas de densas púas a nanoescala, como briznas de hierba.
La naturaleza siempre está llena de sorpresas y contraejemplos. Cada vez que entendemos algo, la naturaleza nos muestra que hay otra cosa que nos hemos perdido, dice David Hu, profesor de biomecánica en Georgia Tech que no participó en el trabajo.
La teoría matemática que describe la La repulsión de bolsas de aire de las gotas de agua se remonta a 1944, con el trabajo de Arnold Cassie y S. Baxter de la Wool Industries Research Association. Esto explica las propiedades repelentes al agua de la hoja de loto y otras superficies en la naturaleza, como las plumas de pato. Fue un gran problema porque hay una gran cantidad de aplicaciones comerciales, como Rain-X para el parabrisas, pintura impermeable y GoreTex, que se basan en el concepto de la hoja de loto, dice Hu.
El laboratorio de Wong ha estado estudiando superficies repelentes al agua en la naturaleza durante más de una década. En su último examen de cómo los insectos se mantienen secos, fue desconcertante que las micrografías electrónicas de barrido de varias criaturas revelaran nanoestructuras superficiales que parecían inconsistentes con Cassie-Baxter, porque la configuración de pastizales no produce las bolsas de aire.
Una imagen óptica de una cigarra. El recuadro muestra la disposición compacta de las texturas a nanoescala en sus alas (aumento de 15 000). Lin Wang, Penn State
Para averiguar por qué las superficies de los insectos estaban estructuradas de esta manera, el grupo de Wongs creó nanoestructuras sintéticas que imitaban lo que veían bajo el microscopio con diferentes tamaños y densidades. Luego realizaron pruebas de impacto de gotas de agua. Básicamente, liberaron gotas de agua sobre las superficies a diferentes velocidades y observaron lo que sucedía.
Lo que encontraron es que las gotas de agua rebotaron un par de milisegundos más rápido alejándose de las superficies con estructuras a nanoescala apretadas que de las superficies con las estructuras de microescala más grandes y extendidas, dice Lin Wang, un estudiante graduado que dirigió el proyecto en el laboratorio de Wongs. Un par de milisegundos puede no parecer mucho, pero para un insecto que vuela bajo la lluvia, reducir ese tiempo es realmente un gran problema, dice. Podría ser la diferencia entre golpear el suelo y continuar el vuelo.
La caída de gotas de lluvia representa un problema importante para los insectos. Descienden a velocidades en el rango de 12 metros/segundo y pueden pesar fácilmente el 20 por ciento de la masa corporal de un insecto. Si te golpea una gota que es el 20 por ciento de tu propio peso y no puedes sacudirla rápidamente, eso es bastante terrible, dice Mathias Kolle, quien dirige un laboratorio de ingeniería fotónica de inspiración biológica en el MIT y no participó en este estudio.
Los modelos existentes no predijeron que el agua rebotaría más rápido en las nanoestructuras densamente empaquetadas que en aquellas con microestructuras escasas. Para explicar esta propiedad inesperada de las nanoestructuras, Wong y sus colegas propusieron un nuevo modelo teórico, basado en la teoría de la bolsa de aire de Cassie y Baxters, que destaca la importancia de la interfaz entre el aire, el líquido y el sólido, la llamada línea de triple contacto. Debido a que las microestructuras están escasamente distribuidas en la hoja, hay relativamente pocas intersecciones donde se encuentran las tres sustancias: agua, aire y plantas. En las superficies de los insectos, donde las nanoestructuras están densamente empaquetadas, hay muchos puntos de contacto, y esta propiedad, que aún no se comprende del todo, parece explicar las diferencias entre las nanoestructuras densas y las microestructuras dispersas.
Esto es como descubrir una nueva propiedad, como la temperatura o la presión, explica Hu, quien escribió el libro de 2018, Cómo caminar sobre el agua y escalar paredes, que incluye una discusión sobre cómo los zancudos caminan sobre el agua y cómo los mosquitos manipulan las gotas de lluvia. Aún así, la línea de triple contacto sigue siendo un misterio. Nadie midió realmente sus propiedades, su magnitud, explica. Creo que esto dará a la gente más motivación para medir realmente algo que existe, pero que es difícil de medir porque es muy pequeño e incluso difícil de imaginar.
Una de las razones por las que las texturas a nanoescala deben estar presentes en alta densidad es que tienen que soportar la alta presión del aterrizaje de las gotas de agua, sugieren Wong y Wang. Cuando las estructuras están escasamente distribuidas, como en la hoja de loto, el impacto de las gotas que caen puede desplazarlas, destruyendo la bolsa de aire y haciendo que el agua se adhiera a la superficie. Dado el requisito de que las diminutas estructuras deben empaquetarse juntas, la repelencia al agua aún se puede optimizar mediante la creación de nanoestructuras que formarán largas líneas de contacto triples cuando caiga una gota de agua.
Kolle dice que estas superficies biológicas son interesantes porque normalmente cumplen muchas funciones. Por ejemplo, las alas de las mariposas están cubiertas de escamas cuyos colores indican que buscan parejas potenciales y asustan a los depredadores; las alas también necesitan repeler el agua, ayudar con la termorregulación y, por supuesto, permitir el vuelo. Ahora que se comprenden mejor las propiedades repelentes al agua de los insectos, la próxima gran pregunta es cómo se equilibran las diferentes funciones cuando deben optimizarse juntas, dice Kolle.
LR Wang et al., Las texturas compactas a nanoescala reducen el tiempo de contacto de las gotas que rebotan, Science Advances, 6:eabb2307, 2020.