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Ángulo de contacto del agua de 165 grados en una superficie modificada utilizando la química de la superficie del sistema de tecnología de plasma. El ángulo de contacto es el ángulo rojo más 90 grados.
Gota de rocío sobre la superficie de una hoja hidrofóbica
El corte de una gota de agua usando un superhidrofóbica cuchillo en superficies superhidrófobas
Gotas de agua sobre la superficie hidrofóbica de la hierba

En química , la hidrofobicidad es la propiedad física de una molécula que aparentemente es repelida por una masa de agua (conocida como hidrofóbica ). [1] (Estrictamente hablando, no hay fuerza repulsiva involucrada; es una ausencia de atracción.) [ Cita requerida ] En contraste, los hidrófilos se sienten atraídos por el agua.

Las moléculas hidrófobas tienden a ser apolares y, por lo tanto, prefieren otras moléculas neutras y solventes apolares . Debido a que las moléculas de agua son polares, los hidrófobos no se disuelven bien entre ellas. Las moléculas hidrofóbicas en el agua a menudo se agrupan, formando micelas . El agua sobre superficies hidrofóbicas exhibirá un alto ángulo de contacto .

Los ejemplos de moléculas hidrófobas incluyen los alcanos , aceites , grasas y sustancias grasas en general. Los materiales hidrófobos se utilizan para la eliminación de aceite del agua, la gestión de derrames de petróleo y los procesos de separación química para eliminar sustancias no polares de compuestos polares. [2]

Hidrofóbico se usa a menudo indistintamente con lipofílico , "amante de las grasas". Sin embargo, los dos términos no son sinónimos. Si bien las sustancias hidrófobas suelen ser lipófilas, existen excepciones, como las siliconas y los fluorocarbonos .

El término hidrófobo proviene del griego antiguo ὑδρόφόβος (hýdrophóbos), "tener horror al agua", construido a partir del griego antiguo ὕδωρ (húdōr)  'agua', y del griego antiguo φόβος (phóbos)  'miedo'. [3]

Antecedentes químicos [ editar ]

La interacción hidrofóbica es principalmente un efecto entrópico que se origina de la ruptura de los enlaces de hidrógeno altamente dinámicos entre las moléculas de agua líquida por el soluto apolar que forma una estructura similar a un clatrato alrededor de las moléculas no polares. Esta estructura formada está más ordenada que las moléculas de agua libre debido a que las moléculas de agua se organizan para interactuar tanto como sea posible con ellas mismas y, por lo tanto, resulta en un estado entrópico más alto que hace que las moléculas no polares se agrupen para reducir el área de superficie expuesta. para regar y disminuir la entropía del sistema. [4] [5]Por tanto, las dos fases inmiscibles (hidrófila frente a hidrófoba) cambiarán de modo que su área interfacial correspondiente sea mínima. Este efecto se puede visualizar en el fenómeno llamado separación de fases . [ cita requerida ]

Superhidrofobicidad [ editar ]

Una gota de agua sobre la hoja de una planta de loto.

Las superficies superhidrofóbicas , como las hojas de la planta de loto, son aquellas que son extremadamente difíciles de mojar. Los ángulos de contacto de una gota de agua superan los 150 °. [6] Esto se conoce como el efecto de loto y es principalmente una propiedad física relacionada con la tensión interfacial , más que una propiedad química. [ cita requerida ]

Teoría [ editar ]

En 1805, Thomas Young definió el ángulo de contacto θ analizando las fuerzas que actúan sobre una gota de fluido que descansa sobre una superficie sólida rodeada por un gas. [7]

Una gota de líquido descansa sobre una superficie sólida y está rodeada de gas. El ángulo de contacto, θ C , es el ángulo formado por un líquido en el límite de las tres fases donde se cruzan el líquido, el gas y el sólido.
Una gota que descansa sobre una superficie sólida y está rodeada por un gas forma un ángulo de contacto característico  θ . Si la superficie sólida es rugosa y el líquido está en íntimo contacto con las asperezas sólidas, la gota está en el estado Wenzel. Si el líquido descansa sobre la parte superior de las asperezas, está en el estado de Cassie-Baxter.

dónde

= Tensión interfacial entre el sólido y el gas
= Tensión interfacial entre el sólido y el líquido
= Tensión interfacial entre el líquido y el gas

θ se puede medir con un goniómetro de ángulo de contacto .

Wenzel determinó que cuando el líquido está en contacto íntimo con una superficie microestructurada, θ cambiará a θ W *

donde r es la relación entre el área real y el área proyectada. [8] La ecuación de Wenzel muestra que la microestructuración de una superficie amplifica la tendencia natural de la superficie. Una superficie hidrofóbica (una que tiene un ángulo de contacto original superior a 90 °) se vuelve más hidrofóbica cuando se microestructura: su nuevo ángulo de contacto se vuelve mayor que el original. Sin embargo, una superficie hidrófila (una que tiene un ángulo de contacto original de menos de 90 °) se vuelve más hidrófila cuando se microestructura: su nuevo ángulo de contacto se vuelve menor que el original. [9] Cassie y Baxter encontraron que si el líquido se suspende en la parte superior de las microestructuras, θ cambiará a θ CB * :

donde φ es la fracción de área del sólido que toca el líquido. [10] El líquido en el estado de Cassie-Baxter es más móvil que en el estado de Wenzel. [ cita requerida ]

Podemos predecir si debería existir el estado de Wenzel o Cassie-Baxter calculando el nuevo ángulo de contacto con ambas ecuaciones. Mediante un argumento de minimización de la energía libre, la relación que predijo el nuevo ángulo de contacto más pequeño es el estado con más probabilidades de existir. Expresado en términos matemáticos, para que exista el estado de Cassie-Baxter, la siguiente desigualdad debe ser cierta. [11]

Un criterio alternativo reciente para el estado de Cassie-Baxter afirma que el estado de Cassie-Baxter existe cuando se cumplen los siguientes 2 criterios: 1) Las fuerzas de la línea de contacto superan las fuerzas corporales del peso de la gota sin apoyo y 2) Las microestructuras son lo suficientemente altas para evitar el líquido. que une las microestructuras para que no toquen la base de las microestructuras. [12]

Recientemente se ha desarrollado un nuevo criterio para el cambio entre los estados de Wenzel y Cassie-Baxter basado en la rugosidad de la superficie y la energía de la superficie. [13] El criterio se centra en la capacidad de atrapar aire bajo gotas de líquido en superficies rugosas, lo que podría indicar si el modelo de Wenzel o el modelo de Cassie-Baxter deben usarse para cierta combinación de rugosidad superficial y energía. [ cita requerida ]

El ángulo de contacto es una medida de hidrofobicidad estática, y la histéresis del ángulo de contacto y el ángulo de deslizamiento son medidas dinámicas. La histéresis del ángulo de contacto es un fenómeno que caracteriza la heterogeneidad de la superficie. [14]Cuando una pipeta inyecta un líquido sobre un sólido, el líquido formará algún ángulo de contacto. A medida que la pipeta inyecta más líquido, la gota aumentará de volumen, el ángulo de contacto aumentará, pero su límite de tres fases permanecerá estacionario hasta que avance repentinamente hacia afuera. El ángulo de contacto que tenía la gota inmediatamente antes de avanzar hacia fuera se denomina ángulo de contacto de avance. El ángulo de contacto de retroceso se mide ahora bombeando el líquido hacia afuera de la gota. La gota disminuirá de volumen, el ángulo de contacto disminuirá, pero su límite trifásico permanecerá estacionario hasta que retroceda repentinamente hacia adentro. El ángulo de contacto que tenía la gota inmediatamente antes de retroceder hacia adentro se denomina ángulo de contacto de retroceso. La diferencia entre los ángulos de contacto de avance y retroceso se denominahistéresis del ángulo de contacto y se puede utilizar para caracterizar la heterogeneidad, la rugosidad y la movilidad de la superficie. [15] Las superficies que no son homogéneas tendrán dominios que impiden el movimiento de la línea de contacto. El ángulo de deslizamiento es otra medida dinámica de hidrofobicidad y se mide depositando una gota en una superficie e inclinando la superficie hasta que la gota comienza a deslizarse. En general, los líquidos en el estado de Cassie-Baxter exhiben ángulos de deslizamiento e histéresis del ángulo de contacto más bajos que los del estado de Wenzel. [ cita requerida ]

Investigación y desarrollo [ editar ]

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Las gotas de agua caen por una superficie hidrófoba inclinada.
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Gotas de agua sobre una superficie hidrofóbica artificial (izquierda)

Dettre y Johnson descubrieron en 1964 que el fenómeno del efecto de loto superhidrofóbico estaba relacionado con superficies hidrofóbicas rugosas, y desarrollaron un modelo teórico basado en experimentos con perlas de vidrio recubiertas con parafina o telómero TFE. La propiedad de autolimpieza de las superficies micro- nanoestructuradas superhidrófobas se informó en 1977. [16] Se desarrollaron perfluoroalquilo, perfluoropoliéter y materiales superhidrófobos formados por plasma de RF, que se utilizaron para electrohumectación y se comercializaron para aplicaciones biomédicas entre 1986 y 1995. [17 ] [18] [19] [20] Otras tecnologías y aplicaciones han surgido desde mediados de la década de 1990. [21]En 2002 se describió una composición jerárquica superhidrófoba duradera, aplicada en uno o dos pasos, que comprende partículas de tamaño nanométrico ≤ 100 nanómetros que se superponen a una superficie que tiene características de tamaño micrométrico o partículas ≤ 100 micras. Se observó que las partículas más grandes protegen a las partículas más pequeñas de la abrasión mecánica. [22]

En investigaciones recientes, se ha informado sobre la superhidrofobicidad al permitir que el dímero de alquilceteno (AKD) se solidifique en una superficie fractal nanoestructurada. [23] Desde entonces, muchos artículos han presentado métodos de fabricación para producir superficies superhidrófobas, incluida la deposición de partículas, [24] técnicas de sol-gel, [25] tratamientos con plasma, [26] deposición de vapor, [24] y técnicas de fundición. [27] La oportunidad actual para el impacto de la investigación radica principalmente en la investigación fundamental y la fabricación práctica. [28]Recientemente han surgido debates sobre la aplicabilidad de los modelos Wenzel y Cassie-Baxter. En un experimento diseñado para desafiar la perspectiva de la energía superficial del modelo de Wenzel y Cassie-Baxter y promover una perspectiva de línea de contacto, se colocaron gotas de agua en un punto hidrofóbico liso en un campo hidrofóbico rugoso, un punto hidrofóbico rugoso en un campo hidrofóbico liso, y una mancha hidrofílica en un campo hidrofóbico. [29] Los experimentos mostraron que la química y la geometría de la superficie en la línea de contacto afectaron el ángulo de contacto y la histéresis del ángulo de contacto , pero el área de la superficie dentro de la línea de contacto no tuvo ningún efecto. También se ha propuesto un argumento de que una mayor irregularidad en la línea de contacto mejora la movilidad de las gotas. [30]

Muchos materiales hidrófobos que se encuentran en la naturaleza se basan en la ley de Cassie y son bifásicos en el nivel submicrométrico con un componente de aire. El efecto loto se basa en este principio. Inspirándose en él , se han preparado muchas superficies superhidrófobas funcionales. [31]

Un ejemplo de material superhidrofóbico biónico o biomimético en nanotecnología es la película de nanopines . [ cita requerida ]

Un estudio presenta una superficie de pentóxido de vanadio que cambia reversiblemente entre superhidrofobicidad y superhidrofilicidad bajo la influencia de la radiación UV. [32] Según el estudio, cualquier superficie puede modificarse a este efecto mediante la aplicación de una suspensión de partículas de V 2 O 5 en forma de rosa , por ejemplo, con una impresora de inyección de tinta . Una vez más, la hidrofobicidad es inducida por bolsas de aire interlaminares (separadas por distancias de 2,1 nm ). También se explica el efecto UV. La luz ultravioleta crea pares de agujeros de electrones , y los agujeros reaccionan con el oxígeno de la red, creando vacantes de oxígeno en la superficie, mientras que los electrones reducen V5+ a V 3+ . Las vacantes de oxígeno se cubren con agua, y es esta absorción de agua por la superficie de vanadio lo que la hace hidrófila. Mediante un almacenamiento prolongado en la oscuridad, el agua es reemplazada por oxígeno y la hidrofilia se pierde una vez más. [ cita requerida ]

Una mayoría significativa de superficies hidrófobas tienen sus propiedades hidrófobas impartidas por la modificación estructural o química de una superficie de un material a granel, a través de recubrimientos o tratamientos superficiales. Es decir, la presencia de especies moleculares (generalmente orgánicas) o características estructurales da como resultado ángulos de contacto elevados del agua. En los últimos años, se ha demostrado que los óxidos de tierras raras poseen hidrofobicidad intrínseca. [33] La hidrofobicidad intrínseca de los óxidos de tierras raras depende de la orientación de la superficie y los niveles de vacancia de oxígeno, [34] y es naturalmente más robusto que los recubrimientos o tratamientos superficiales, y tiene aplicaciones potenciales en condensadores y catalizadores que pueden operar a altas temperaturas o ambientes corrosivos. [cita requerida ]

Aplicaciones y aplicaciones potenciales [ editar ]

El hormigón hidrofóbico se produce desde mediados del siglo XX.

La investigación activa reciente sobre materiales superhidrofóbicos podría eventualmente conducir a más aplicaciones industriales.

Se ha informado de una rutina simple de recubrimiento de tela de algodón con partículas de sílice [35] o titania [36] mediante la técnica de sol-gel , que protege la tela de la luz ultravioleta y la hace superhidrófoba.

Se ha informado de una rutina eficiente para hacer que el polietileno sea superhidrófobo y, por lo tanto, autolimpiante. [37] El 99% de la suciedad en una superficie de este tipo se elimina fácilmente.

Las superficies superhidrófobas estampadas también son prometedoras para los dispositivos de microfluidos de laboratorio en un chip y pueden mejorar drásticamente el bioanálisis basado en superficies. [38]

En los productos farmacéuticos, la hidrofobicidad de las mezclas farmacéuticas afecta importantes atributos de calidad de los productos finales, como la disolución y dureza del fármaco . [39] Se han desarrollado métodos para medir la hidrofobicidad de materiales farmacéuticos. [40] [41]

Ver también [ editar ]

  • Anfífilo  : compuesto químico hidrófilo y lipófilo.
  • Óxido de cerio (IV)
  • Medidor de ángulo de contacto
  • Flotación por espuma
  • Hidrófilo
  • Efecto hidrofóbico  : agregación de moléculas no polares en soluciones acuosas.
  • Escalas de hidrofobicidad
  • Lipophobicidad , también conocida como oleofobicidad
  • Óxidos de tierras raras
  • Repelente de agua orgánico de silicona
  • Ultrahidrofobicidad , también conocida como superhidrofobicidad - Propiedad del material
  • Recubrimiento superhidrofóbico

Referencias [ editar ]

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Enlaces externos [ editar ]

  • ¿Qué son las superficies superhidrofóbicas?
  • La diferencia entre hidrofóbico e hidrofílico