Nuevos materiales con una repelencia al agua casi perfecta
Posible aplicación de superficies autolimpiables en automóviles o edificios
Científicos del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) y del Instituto Indio de Tecnología de Guwahati (IITG) han desarrollado un material superficial que repele las gotas de agua casi por completo. Mediante un proceso totalmente innovador, modificaron los marcos metalorgánicos (MOF) -materiales diseñados artificialmente con propiedades novedosas- injertándoles cadenas de hidrocarburos. Las propiedades superhidrofóbicas (extremadamente repelentes al agua) resultantes son interesantes para su uso como superficies autolimpiables que deben ser resistentes a las influencias ambientales, como en automóviles o en arquitectura. El estudio se publicó en la revista Materials Horizons.
Los MOF (marcos metal-orgánicos) están compuestos por metales y enlaces orgánicos que forman una red con poros vacíos parecida a una esponja. Sus propiedades volumétricas -desplegando dos gramos de este material se obtendría la superficie de un campo de fútbol- los convierten en un material interesante en aplicaciones como el almacenamiento de gases, la separación del dióxido de carbono o las nuevas tecnologías médicas.
Pero también las superficies exteriores expuestas por estos materiales cristalinos ofrecen características únicas, que el equipo de investigación aprovechó injertando cadenas de hidrocarburos en finas películas de MOF. Observaron un ángulo de contacto con el agua de más de 160 grados: cuanto mayor es el ángulo que forma la superficie de una gota de agua con el sustrato, mejores son las propiedades hidrófobas del material. "Con nuestro método, podemos conseguir superficies superhidrofóbicas con ángulos de contacto significativamente superiores a los de otras superficies lisas y recubrimientos", afirma el profesor Christof Wöll, del Instituto de Interfaces Funcionales del KIT. "Aunque las propiedades humectantes de las partículas de polvo de MOF se han explorado antes, el uso de películas finas monolíticas de MOF para este fin es un concepto innovador."
Materiales "superhidrofóbicos" de próxima generación
El equipo atribuye estos resultados a la disposición en forma de cepillo (cepillos poliméricos) de las cadenas de hidrocarburos en los MOF. Una vez injertadas en los materiales MOF, tienden a formar "espirales", un estado de desorden que los científicos denominan "estado de alta entropía", esencial para sus propiedades hidrofóbicas. Los científicos afirmaron que este estado de las cadenas de hidrocarburos injertadas no podía observarse en otros materiales.
Cabe destacar que el ángulo de contacto con el agua no aumentó ni siquiera cuando utilizaron cadenas de hidrocarburos perfluorados para el injerto, es decir, sustituyendo átomos de hidrógeno por flúor. En materiales como el teflón, la perfluoración aporta propiedades superhidrofóbicas. En el nuevo material desarrollado, sin embargo, disminuye significativamente el ángulo de contacto con el agua, como descubrió el equipo. Otros análisis en simulaciones por ordenador confirmaron que las moléculas perfluoradas -a diferencia de las cadenas de hidrocarburos- no podían asumir el estado de alta entropía, energéticamente favorable.
Además, los científicos variaron la rugosidad de la superficie de sus sistemas SAM@SURMOF en el rango nanométrico, reduciendo así aún más la fuerza de adhesión del agua. Incluso con ángulos de inclinación extremadamente pequeños, las gotas de agua empezaron a rodar y sus propiedades hidrófobas y autolimpiantes mejoraron notablemente.
"Nuestro trabajo también incluye un análisis teórico detallado, que vincula el inesperado comportamiento mostrado en los experimentos al estado de alta entropía de las moléculas injertadas en las películas MOF", afirma el profesor Uttam Manna, del departamento de Química del IITG. "Este estudio cambiará el diseño y la producción de materiales de próxima generación con propiedades hidrófobas óptimas".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Evgenia Bogdanova, Modan Liu, Patrick Hodapp, Angana Borbora, Wolfgang Wenzel, Stefan Bräse, André Jung, Zheqin Dong, Pavel A. Levkin, Uttam Manna, Tawheed Hashem, Christof Wöll; "Functionalization of monolithic MOF thin films with hydrocarbon chains to achieve superhydrophobic surfaces with tunable water adhesion strength"; Materials Horizons, 2025
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