Efecto salvinia

El efecto Salvinia describe la estabilización permanente de una capa de aire sobre una superficie estructurada jerárquicamente sumergida en agua. Basándose en modelos biológicos (por ejemplo, los helechos flotantes Salvinia , el nadador de fondo Notonecta ), las superficies biomiméticas de Salvinia se utilizan como recubrimientos reductores de arrastre (se midieron previamente hasta un 30% de reducción en los primeros prototipos. [1] [2]Cuando se aplica al casco de un barco, el revestimiento permitiría que el barco flotara sobre una capa de aire; Reducir el consumo de energía y las emisiones. Tales superficies requieren una superficie superhidrofóbica extremadamente repelente al agua y una estructura peluda elástica en el rango de milímetros para atrapar aire mientras están sumergidas. El efecto Salvinia fue descubierto por el biólogo y botánico Wilhelm Barthlott (Universidad de Bonn) y sus colegas y se ha investigado en varias plantas y animales desde 2002. Se publicaron publicaciones y patentes entre 2006 y 2016. [3] Los mejores modelos biológicos son los helechos flotantes ( Salvinia) con superficies peludas estructuradas jerárquicamente altamente sofisticadas, [4] y los nadadores de espalda (por ejemplo, Notonecta)con una compleja estructura doble de pelos (setas) y microvellosidades (microtrichia). Tres de las diez especies conocidas de Salvinia muestran una heterogeneidad química paradójica: puntas de cabello hidrófilas, además de la superficie de la planta superhidrófoba, estabilizando aún más la capa de aire. [5]

Salvinia gigante (S. molesta) a diferentes aumentos; en la imagen SEM d) los cristales de cera repelentes al agua y las cuatro células de anclaje libres de cera hidrófila en las puntas del cabello son visibles.

Sumergidas en agua, extremadamente repelentes al agua ( superhidrofóbicas ), las superficies estructuradas atrapan el aire entre las estructuras y esta capa de aire se mantiene durante un período de tiempo. Un brillo plateado, debido al reflejo de la luz en la interfaz del aire y el agua, es visible en las superficies sumergidas.

Las capas de aire de larga duración también se encuentran en los artrópodos acuáticos que respiran a través de una branquia física (plastrón), por ejemplo, la araña de agua ( Argyroneta ) y la chinche del platillo ( Aphelocheirus ) Las capas de aire presumiblemente también conducen a la reducción de la fricción en los animales que se mueven rápidamente bajo el agua. como es el caso de la nadadora de espalda Notonecta . [6]

Los ejemplos más conocidos de retención de aire a largo plazo bajo el agua son los helechos flotantes del género Salvinia . Aproximadamente diez especies de muy diversos tamaños se encuentran en el agua léntica en todas las regiones más cálidas de la tierra, una especie ampliamente extendida ( S. natans ) que se encuentra en climas templados se puede encontrar incluso en Europa Central . La capacidad de retener aire es presumiblemente una técnica de supervivencia para estas plantas. La parte superior de las hojas flotantes es altamente repelente al agua y posee pelos muy complejos y específicos de cada especie. [4] Algunas especies presentan pelos multicelulares independientes de 0,3 a 3 mm de longitud (p . Ej., S. cucullata ), mientras que en otras, dos pelos están conectados en las puntas (p . Ej., S. oblongifolia ). S. minima y S. natans tienen cuatro pelos independientes conectados en una sola base. La Salvinia gigante ( S. molesta ), así como la S. auriculata y otras especies estrechamente relacionadas, exhiben los pelos más complejos: cuatro pelos crecen en un eje compartido; están conectados en sus puntas. Estas estructuras se asemejan a batidores de huevos microscópicos y, por lo tanto, se denominan "tricomas batidores de huevos". Toda la superficie de la hoja, incluidos los pelos, está cubierta con cristales de cera a nanoescala que son la razón de las propiedades repelentes al agua de las superficies. Por tanto, estas superficies de hojas son un ejemplo clásico de una "estructuración jerárquica". [4]

Los pelos batidores de huevos de Salvinia molesta y especies estrechamente relacionadas (por ejemplo, S. auriculata ) muestran una propiedad adicional notable. Las cuatro células en la punta de cada cabello (las células de anclaje), [3] a diferencia del resto del cabello, están libres de cera y por lo tanto son hidrófilas ; en efecto, islas mojables rodeadas por una superficie superhidrofóbica. Esta heterogeneidad química, [5] la paradoja de Salvinia , permite fijar la interfaz aire-agua a la planta y aumenta la presión y la estabilidad a largo plazo de la capa de aire. [5] [7]

La superficie de retención de aire del helecho flotante no reduce la fricción. La Salvinia gigante (S. molesta), extremadamente adaptable, es una de las plantas invasoras más importantes en todas las regiones tropicales y subtropicales de la tierra y es la causa de problemas económicos y ecológicos. [8] Su tasa de crecimiento podría ser la más alta de todas las plantas vasculares. En los trópicos y en condiciones óptimas, S. molesta puede duplicar su biomasa en cuatro días. El efecto Salvinia, descrito aquí, probablemente juega un papel esencial en su éxito ecológico; las esteras de plantas flotantes multicapa presumiblemente mantienen su función de intercambio de gases dentro de la capa de aire.

Backswimmer (Notonecta glauca) bajo el agua: el brillo plateado proviene de la luz que se refleja en la interfaz entre la capa de aire del ala y el agua circundante.

El efecto Salvinia define superficies que son capaces de mantener permanentemente capas de aire relativamente gruesas como resultado de su química hidrófoba, en combinación con una arquitectura compleja [9] en dimensiones nano y microscópicas.

Este fenómeno fue descubierto durante una investigación sistemática sobre plantas y animales acuáticos por Wilhelm Barthlott y sus colegas en la Universidad de Bonn entre 2002 y 2007. [10] Se han definido cinco criterios, [11] que permiten la existencia de capas de aire estables bajo agua y a partir de 2009 definen el efecto Salvinia: [12] (1) la química de las superficies hidrófobas en combinación con (2) las estructuras nanoescalicas generan superhidrofobicidad, (3) estructuras jerárquicas microscópicas que van desde unos pocos mirco- a varios milímetros con (4) socavados y (5) propiedades elásticas. La elasticidad parece ser importante para la compresión de la capa de aire en condiciones hidrostáticas dinámicas. [13] Un criterio de optimización adicional es la heterogeneidad química de las puntas hidrófilas (Salvinia Paradox [4] [6] ). Este es un excelente ejemplo de estructura jerárquica en varios niveles. [12]

En plantas y animales, las superficies con efecto salvinia que retienen el aire siempre están fragmentadas en pequeños compartimentos con una longitud de 0,5 a 8 cm y los bordes están sellados contra la pérdida de aire por microestructuras particulares. [1] [3] [14] Los compartimentos con bordes sellados también son importantes para aplicaciones técnicas.

El principio de funcionamiento se ilustra en Giant Salvinia. [4] Las hojas de S. molesta son capaces de mantener una capa de aire en sus superficies durante mucho tiempo cuando se sumergen en agua. Si se tira de una hoja bajo el agua, la superficie de la hoja muestra un brillo plateado. La característica distintiva de S. molesta radica en la estabilidad a largo plazo. Mientras que la capa de aire en la mayoría de las superficies hidrofóbicas desaparece poco después de sumergirse, S. molesta puede estabilizar el aire durante varios días a varias semanas. Por lo tanto, el período de tiempo está limitado por la vida útil de la hoja.

Ilustración esquemática de la estabilización de las capas de aire bajo el agua retenidas por las células de anclaje hidrófilas ("paradoja de Salvinia")

La alta estabilidad es una consecuencia de una combinación aparentemente paradójica de una superficie superhidrofóbica (extremadamente repelente al agua) con parches hidrofílicos (atractivos para el agua) en las puntas de las estructuras.

Cuando se sumerge bajo el agua, el agua no puede penetrar en la habitación entre los pelos debido al carácter hidrofóbico de las superficies. Sin embargo, el agua está sujeta a la punta de cada cabello por las cuatro células terminales libres de cera (hidrófilas). Esta fijación da como resultado una estabilización de la capa de aire bajo el agua. El principio se muestra en la figura.

Se muestran esquemáticamente dos superficies sumergidas de retención de aire: en el lado izquierdo: una superficie hidrófoba. En el lado derecho: una superficie hidrofóbica con puntas hidrofílicas.

Si se aplica presión negativa , se forma rápidamente una burbuja en las superficies puramente hidrófobas (izquierda) que se extiende sobre varias estructuras. Al aumentar la presión negativa, la burbuja crece y puede desprenderse de la superficie. La burbuja de aire sube a la superficie y la capa de aire disminuye hasta desaparecer por completo.

En el caso de la superficie con células de anclaje hidrófilas (derecha), el agua se fija a las puntas de cada estructura mediante el parche hidrófilo en la parte superior. Estos enlaces permiten la formación de una burbuja que se extiende sobre varias estructuras; La liberación de burbujas se suprime porque primero se deben romper varios enlaces. Esto da como resultado una mayor entrada de energía para la formación de burbujas. Por lo tanto, se necesita una mayor presión negativa para formar una burbuja capaz de desprenderse de la superficie y elevarse.

Backswimmers (Notonecta glauca): las interfaces de las alas que miran al agua tienen una estructura jerárquica compuesta por pelos largos (Satae) y una alfombra de microvellosidades.

Las superficies de retención de aire subacuáticas son de gran interés para aplicaciones técnicas. Si la transferencia del efecto a una superficie técnica tiene éxito, los cascos de los barcos podrían recubrirse con esta superficie para reducir la fricción entre el barco y el agua, lo que resulta en un menor consumo de combustible, costos de combustible y reducción de su impacto ambiental negativo (efecto antiincrustante por la capa de aire ). [15] En 2007, los primeros barcos de prueba ya lograron una reducción de la fricción del diez por ciento [9] y el principio fue posteriormente patentado. [16] A estas alturas, los científicos suponen una reducción de la fricción de más del 30%. [17]

El principio subyacente se muestra esquemáticamente en una figura. Aquí se comparan dos perfiles de flujo de flujo laminar en agua sobre una superficie sólida y agua que fluye sobre una superficie de retención de aire.

Si el agua fluye sobre una superficie sólida y lisa, la velocidad en la superficie es cero debido a la fricción entre el agua y las moléculas de la superficie. Si se sitúa una capa de aire entre la superficie sólida y el agua, la velocidad es superior a cero. La menor viscosidad del aire (55 veces menor que la viscosidad del agua) reduce la transmisión de las fuerzas de fricción por el mismo factor.

Ilustración esquemática que compara la dinámica de fluidos del agua a lo largo de una superficie sólida y una superficie de retención de aire: Directamente en la superficie sólida, la velocidad del agua es cero debido a la fricción de las moléculas de agua y la superficie (izquierda). En el caso de la superficie de retención de aire (derecha), la capa de aire sirve como agente deslizante. Debido a la baja viscosidad del aire, el agua puede moverse en la interfaz aire-agua, lo que significa una reducción del arrastre y una velocidad superior a cero.

Los investigadores están trabajando actualmente en el desarrollo de una superficie biomimética que retiene el aire de forma permanente, modelada en S. molesta [18] para reducir la fricción en los barcos. Se ha demostrado que las superficies con efecto Salvinia adsorben el aceite de forma rápida y eficiente y se pueden utilizar para aplicaciones de separación de aceite y agua [19]

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El dispositivo biomimético BOA (Bionic Oil Adsorber) separa automáticamente sobre una base puramente física las películas de aceite de las superficies del agua. Se desarrolló a partir de la investigación sobre el efecto Salvina y el efecto Lotus en 2018 en la Universidad de Bonn. La película de aceite (rojo) se adsorbe sobre un tejido biomimético (verde) y se recoge en un recipiente flotante (gris) para su posterior eliminación. Más información en Barthlott et al. en Phil Trans. Roy. Soc. A. https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2019.0447 - © W. Barthlott, M. Moosmann & M. Mail 2020
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El efecto Salvinia para la separación del agua del aceite: adsorción y transporte rápidos y superficiales de una gota de petróleo crudo en una hoja superhidrófoba de Salvinia molesta que atrapa aire . Más información en Barthlott et al. en Phil Trans. Roy. Soc. A. https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2019.0447 - © W. Barthlott & M. Mail 2020

  • Efecto loto
  • Efecto pétalo

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  • www.lotus-salvinia.de
  • Vídeo: Das Geheimnis des Südamerikanischen Schwimmfarns
  • Vídeo: Lufthaltende Schiffsbeschichtungen nach biologischem Vorbild zur Reibungsreduktion