La Universidad Católica de Lovaina y la Universidad de Zurich han descubierto una superficie sólida cuyas propiedades adhesivas y humectantes se pueden cambiar usando la electricidad. Este notable resultado se presenta en la portada de la revista Nature.
Cuando la lluvia cae sobre una hoja de loto, la hoja no se moja. Gracias a su estructura especial, las gotas de agua resbalan sin mojar la superficie. Los materiales artificiales también se pueden hacer repelentes al agua. Es, sin embargo, extremadamente difícil producir una superficie con humectación conmutable. Ahora, un equipo de investigación de TU Wien, KU Leuven y Universidad de Zürich ha logrado manipular una superficie de una sola capa de nitruro de boro de tal manera que se puede conmutar ida y vuelta entre los estados con alta y baja humectación y adherencia.
Hexágonos haciendo olas
"Una de las propiedades físicas más interesantes de una superficie es su fricción estática o fricción estática", dice Stijn Mertens (Instituto de Física Aplicada de la Universidad de Tecnología de Viena, y se asocia con la Universidad de Lovaina en Bélgica)."Esta fuerza para empezar tiene que ser superada por un objeto en la superficie de deslizamiento ."
La nanoestructura de la superficie determina su fricción estática en gran medida: los detalles del contacto entre la superficie y otro objeto (por ejemplo, una gota de líquido) dependen de la geometría de sus átomos y otras propiedades. Esto a su vez es fundamental para la adhesión, la fricción estática y humectación. La relación entre la fricción estática y humectación, sin embargo, hasta ahora sólo se conoce poco.
"Al igual que el grafeno, este material consiste en una sola capa de átomos de carbono, nuestro nitruro -que boro contiene la mayor cantidad de boro como átomos de nitrógeno, tiene un grosor de una sola capa atómica", explica Thomas Greber del Instituto de Física de la Universidad de Zürich . Esta capa ultrafina se puede cultivar en un solo cristal de rodio. Los átomos en la superficie de rodio y en el nitruro de boro forman un patrón hexagonal, pero las distancias entre los átomos de los dos materiales son diferentes. Trece átomos en nitruro de boro tienen el mismo espacio que doce átomos de rodio, de modo que los dos cristales no encajan perfectamente. Debido a esta falta de coincidencia, los hexágonos de nitruro de boro se deben doblar, y aparecen como una onda congelada con una longitud de onda de 3,2 nanómetros y una altura de aproximadamente 0,1 nanómetros.
Para investigar la humectación de la superficie y aplicar el voltaje en el mismo tiempo, un instrumento fue construido especialmente para este fin, en el que una gota de líquido es llevado en la superficie a través de un tubo de vidrio muy fino. La caída se hace más grande y más pequeño al mismo tiempo se registra su forma. Ya sea la forma de la gota plana o más redondeada depende de las propiedades de la superficie. Crédito: TU Wien
"Precisamente esta ola nano de dos dimensiones influye en la humectación de la superficie por el agua", dice Stijn Mertens. En cualquier caso, la superestructura de nitruro de boro se puede hacer plana con un simple truco: al poner el material en ácido y la aplicación de una tensión eléctrica, átomos de hidrógeno fluyen bajo la capa de nitruro de boro y cambian el enlace entre el nitrógeno y el rodio. Esto hace que el nitruro de boro se vuelva plano. De repente, la adhesión de una gota de agua sobre la superficie cambia dramáticamente - a pesar de la caída es de 100'000 veces más grande que las pequeñas olas en el nitruro de boro. Si la tensión se reduce, este efecto se invierte: "Podemos cambiar la superficie una y otra vez entre estos dos estados," explica Stijn Mertens.
Electroquímica en una gota: superposición de siete medidas del ángulo de contacto dinámico de una gota de agua sobre una superficie; diámetro del tubo vertical de capilar 0,85 mm. Crédito: Universidad de Zurich
La máquina de medición de caída
El nitruro de boro superhoneycomb nanomalla: nitrógeno (verde), boro (naranja), rodio (gris); distancia entre panales 3,2 nm.Crédito: Marcella Iannuzzi, UZH y Ari Seitsonen, ENS París
Los conceptos para cambiar la humectación ida y vuelta han estado rondando por un tiempo. Por ejemplo, las moléculas orgánicas que cambian de forma con la luz de un color determinado se pueden unir a la superficie. Sin embargo, tales moléculas son mucho más complejas y frágiles que los materiales estudiados aquí. "Nuestra superficie consta de una única capa de átomos, es completamente inorgánico y no cambia incluso si calentamos al vacío a 1000 ° C," de acuerdo a Stijn Mertens y Thomas Greber. "Esto significa que este material podría utilizarse también para aplicaciones donde las moléculas orgánicas serían destruidas , que van desde la vida cotidiana hasta los viajes espaciales."
La estructura atómica determina las propiedades de humectación y la adherencia. Crédito: (Gábor Mészáros y Ruth Lanza)
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