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Materiales hidrófobos: imitando a la naturaleza

Actualmente en cualquier día de lluvia hay una estampa habitual que podrás observar si tienes un poco de curiosidad: el efecto de los tejidos hidrófobos. Este mes de abril en Canarias ha sido un mes bastante lluvioso, así que no hemos podido evitar usar el paraguas, el chubasquero, o una buena chaqueta que nos proteja de la lluvia. Uno de estos días, al llegar a casa, hice esta fotografía.

tejido hidrófobo

Se trata de la imagen de una chaqueta sobre la que ha caído un poco de agua de lluvia, y me llamó la atención la forma esférica de las gotitas sobre la tela. Sin duda la chaqueta está hecha de un tejido hidrófobo que impide que las gotas empapen la prenda. Esa forma casi esférica es la que adoptan las gotas de líquido en un material hidrófobo, y es debida a que la fuerza de adhesión del agua con la superficie de la tela es mucho menor que la fuerza de cohesión. Estas fuerzas de adhesión y cohesión están relacionadas con dichas propiedades de un líquido, que a su vez están relacionadas con la atracción molecular.

Las gotas de agua siempre van a tender a adoptar una forma esférica, simplemente para minimizar su superficie, como lo hace cualquier otro líquido, porque así la energía de las moléculas de la superficie de la gota sería menor. Al fin y al cabo, todos los sistemas físicos tienden a minimizar su energía. Al chocar con otro material, las gotas podrían extenderse por su superficie. Sin embargo, en este caso el tratamiento químico de la tela hace que la la cohesión sea mayor que la adhesión, por lo que el ángulo de contacto de las gotas de agua con la tela es mayor que 90º, y por eso las vemos con esa forma. Cuando mayor es el ángulo de contacto de la gota (también llamado ángulo de humectancia), menor es la superficie de contacto entre ella y el material sobre el que está localizada, por lo que más hidrófobo será este material. En el caso de los materiales superhidrófobos, el ángulo de contacto puede ser mayor que 150º y puede llegar a valores de hasta 180º.

Este efecto que se puede conseguir en materiales, algunos de uso cotidiano, se puede encontrar también en la naturaleza. El ejemplo más habitual es el comportamiento superhidrófobo de la flor de loto, que también se puede encontrar en otras plantas. Pero no solo las plantas presentan de manera natural esta capacidad de repeler el agua, sino que la hidrofobia también se encuentra en las alas de algunos insectos. Los científicos han conseguido imitar este comportamiento natural de algunas plantas e insectos para conseguir, gracias a tratamientos químicos, materiales altamente repelentes al agua, hidrófobos o superhidrófobos, que incluso pueden autolimpiarse (como lo hace la flor de loto). Las aplicaciones son muchísimas y la nanotecnología tiene mucho que decir en este tema.

Te dejo con un vídeo de la Universidad de Rochester (en inglés, pero subtitulado en español) sobre la investigación de una tecnología basada en láser para transformar metales en materiales superhidrófobos.


Ventanas que fluyen. ¿Mito o realidad?

 

Yo nunca había escuchado ni leído esta historia: el vidrio de los ventanales de catedrales antiguas es más grueso en su parte inferior que en su parte superior porque el vidrio ha fluido en todos esos años. Dicen que es una historia que cuentan habitualmente algunos profesores de física o de química en sus clases, y yo hoy me la encontré nada más y nada menos que en un libro de física para arquitectos. Puedes llamarme desconfiada, pero no me creí esa afirmación, así que me puse a pensar sobre ello y a buscar información.

Glass Act at Ely Cathedral 1

Tony Hammond via Compfight

Lo primero que hay que observar es que el vidrio no es lo mismo que el cristal. El vidrio es un sólido cuyas moléculas no están situadas una respecto a otras de forma regular. En cambio, en el cristal las moléculas (así como también sus átomos) están dispuestos de manera regular.

Vale, el vidrio aparenta ser un fluido si está a temperatura muy alta. Todos hemos visto imagenes de artesanos trabajando con el vidrio, moldeándolo a grandes temperaturas, consiguiendo casi cualquier forma que se les ocurra. Los objetos que crean se solidifican a temperatura ambiente. Pero lo cierto es que en el vidrio la estructura atómica es tal que sus átomos no están dispuestos siguiendo un orden repetitivo a lo largo de todo el sólido, sino que se forman estructuras que van cambiando de orientación de forma aleatoria. Esto es diferente a lo que ocurre en los líquidos o en los gases, donde los átomos están desordenados, o en los cristales, donde sí que hay un orden repetitivo a lo largo de todo el sólido. La estructura del vidrio es amorfa pero  no deja que éste fluya, porque las posiciones de los átomos unos respecto a otros no pueden cambiar.

En realidad hay que hacer una matización: hay cierto margen para que los átomos se reordenen ligeramente en un vidrio, muy lentamente, pero claro….¿qué significa “muy lentamente”? No puedo ver fluir el vidrio de mi ventana, ¿pero realmente ha fluido el vidrio de los ventanales de las catedrales antiguas después de tantísimos años?

Pues la solución a este enigma está en el cálculo del tiempo necesario para que el vidrio de un ventanal de de catedral fluya, de manera que se pueda observar que el grosor en la parte inferior es mayor que en la superior. Estuve buscando información sobre esto y en esta web hablan de este asunto y de dos artículos  donde se aborda este problema (tienes los enlaces al final de ese interesantísimo post). Uno de los artículos es un artículo de Edgar Dutra Zanotto (Brasil) y el otro es un artículo publicado en el New York Times por Kenneth Chang. Están muy bien los dos, aunque ninguno de ellos es una publicación que haya sido publicada en una revista científica. Hay otro artículo sobre esto que sí aparece en una publicación científica, escrito por Yvonne Stokes (Australia). De estos artículos se puede concluir que se necesita muchísimo tiempo para poder apreciar los efectos del fluir de una vidriera. Se necesitan como mínimo 10 millones de años, que obviamente es mucho más que la edad de cualquier catedral!!

La única explicación por ahora es que todo se deba a la manera de fabricar aquellos vidrios antiguos. En aquella época era muy difícil conseguir que toda la lámina de vidrio tuviera el mismo grosor. Por lo tanto, eso de que las ventanas de la catedrales son así porque el vidrio fluye es un mito. 😉