Los científicos que estudian los materiales hidrófobos, que repelen el agua, como los que se encuentran en la naturaleza, para recrearlos en el laboratorio, están familiarizados con un límite teórico en el tiempo que tarda una gota de agua en rebotar lejos de este tipo de superficies. Sin embargo, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, en sus siglas en inglés), en Cambridge, Estados Unidos, han encontrado una manera de explotar esa barrera, reduciendo el tiempo de contacto en al menos un 40 por ciento.
"El tiempo que la gota se mantiene en contacto con una superficie es importante, ya que controla el intercambio de masa, momento y energía entre la gota y la superficie", explica Kripa Varanasi, profesor asociado de Ingeniería Mecánica en el MIT y uno de los autores del artículo sobre esta investigación publicado en 'Nature'. "Si se puede conseguir que las gotas reboten más rápido, se pueden lograr muchas ventajas", agregó este experto.
Por ejemplo, al tratar de evitar la acumulación de hielo en el ala de un avión, el tiempo de contacto de las gotas de agua es fundamental: cuanto más tiempo se mantenga una gotita en contacto con una superficie antes de rebotar, mayor es su probabilidad de congelación en ese lugar. Según el límite teórico, el tiempo mínimo que una gota puede estar en contacto con una superficie depende del periodo de tiempo de las oscilaciones en una caída vibratoria, también conocido como el tiempo de Rayleigh.
La sabiduría convencial sostiene que la manera de lograr que el tiempo de contacto sea mínimo es minimizar la interacción entre el agua y la superficie, como por ejemplo mediante la creación de superficies superhidrófobas de baja adhesión. Pero el equipo de Varanasi descubrió que el aumento de la superficie de interacción de una forma particular puede acelerar el proceso más allá de ese límite anterior.
Para facilitar esta interacción, los científicos añadieron características macroscópicas, como rugosidades, que rompen la simetría de una gotita y pueden servir para dividirla, provocando su retroceso en formas altamente irregulares. Estas superficies estriadas pueden provocar tiempos de contacto un 40 por ciento más cortos que las superficies de control.
"Hemos demostrado que podemos usar la textura de la superficie para remodelar la forma en la que retrocede una gota, de tal manera que el tiempo de contacto total se reduce de manera significativa", destaca el coautor James Bird, ahora profesor asistente de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Boston. "El resultado es que la superficie se mantiene más seca durante más tiempo si se reduce ese tiempo de contacto, que tiene el potencial de ser útil para una variedad de aplicaciones", añade.
Con esta reducción en el tiempo de contacto, los investigadores fueron capaces de demostrar que las gotas rebotaban antes de la congelación en estas superficies de ruptura de su simetría frente a las de control, donde las gotas se detuvieron y solidificaron. Según Varanasi, es posible reducir todavía más ese tiempo a través de la optimización de las texturas, hasta una disminución de entre el 70 y el 80 por ciento.
Estos hallazgos también pueden tener implicaciones para la ecología, puesto que los investigadores encontraron que algunas alas de mariposa naturalmente producen el mismo efecto, lo que limita la posibilidad de que el agua se extienda a lo largo de las alas y reduzca sus propiedades aerodinámicas, proporcionándoles una clara ventaja de supervivencia.
Del mismo modo, las venas de las hojas de capuchina ('Tropaeolum majus'), a diferencia de los de la mayoría de las hojas de las plantas, se encuentran en la parte superior, donde sirven para romper las gotas que caen. Los científicos del MIT descubrieron que las gotas que rebotan en las alas de la mariposa y las hojas de la capuchina salen disparadas más rápido de lo que lo rebotan en las hojas de loto, que a menudo se consideran el súmmum de las superficies no humectantes.
