Investigadores de Penn State han teorizado que un recubrimiento que imita la nanoestructura del ojo del mosquito podría mejorar las máscaras faciales repelentes de virus
A través de la investigación de superficies de insectos, los investigadores de Penn State han detallado una nanoestructura que no había sido identificada y que se puede utilizar para diseñar recubrimientos repelentes al agua más fuertes y resistentes.
Los resultados de esta investigación se publicaron hoy en Science Advances.
Con una capacidad mejorada para repeler las gotas, este diseño podría aplicarse a equipos de protección personal (PPE) para resistir mejor las partículas cargadas de virus, como COVID-19, entre otras aplicaciones.
“Durante las últimas décadas, las superficies repelentes al agua de diseño convencional se han basado generalmente en plantas, como hojas de loto”, dijo Lin Wang, estudiante de doctorado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Penn State y autor principal del artículo.
Las teorías de la ingeniería clásica han utilizado este enfoque para crear superficies superhidrofóbicas o repelentes al agua. Tradicionalmente, se fabrican con texturas de baja fracción sólida, que mantienen una capa de aire extremadamente delgada por encima de una baja densidad de nanoestructuras microscópicas con forma de cabello.
"El razonamiento es que, si la gota u objeto está flotando sobre ese aire, no se pegará a la superficie", dijo Tak-Sing Wong, profesor de ingeniería de la carrera inicial de Wormley, profesor asociado de ingeniería mecánica y biomédica y director de tesis de Wang.
Dado que funciona de manera eficaz, los revestimientos artificiales tienden a imitar la baja densidad de estas nanoestructuras.
Sin embargo, ellos abordan un enfoque completamente diferente. Al examinar superficies como el ojo de un mosquito, el cuerpo de una colémbols o el ala de una cigarra bajo el microscopio electrónico de alta resolución, Wang descubrió que los pelos nanoscópicos en esas superficies están más densamente empaquetados, lo que en ingeniería se conoce como texturas de alta fracción sólida. Tras una mayor exploración, esta desviación significativa de la estructura de las plantas puede generar beneficios adicionales de repelencia al agua.
"Imagínese si tuviera una alta densidad de estas nanoestructuras en una superficie", dijo Wang. "Podría ser posible mantener la estabilidad de la capa de aire frente a fuerzas de impacto más altas".
Esto también podría significar que las estructuras más densamente empaquetadas pueden repeler el líquido que se mueve a mayor velocidad, como las gotas de lluvia.
Si bien el concepto de diseño es nuevo para los humanos, los investigadores teorizan que esta nanoestructura aumenta la resiliencia del insecto en su entorno natural.
“Para estas superficies de insectos, repeler las gotas de agua es una cuestión de vida o muerte. La fuerza del impacto de las gotas de lluvia es suficiente para llevarlas al suelo y matarlas”, dijo Wang. "Por lo tanto, es muy importante que se mantengan secos, y descubrimos cómo".
Con este conocimiento obtenido de la naturaleza, los investigadores esperan aplicar este principio de diseño para crear revestimientos de próxima generación. Al desarrollar una superficie repelente al agua que puede soportar un movimiento más rápido y gotas de mayor impacto, las aplicaciones son abundantes.
Desde pequeños vehículos robóticos voladores, como los drones con los que Amazon espera entregar paquetes, hasta aviones comerciales, un recubrimiento que pueda emular estas superficies de insectos podría proporcionar una mayor eficiencia y seguridad.
Sin embargo, a la luz de la pandemia de COVID-19, los investigadores se han dado cuenta de que este conocimiento podría tener un impacto adicional en la salud humana.
“Esperamos que, cuando se desarrolle, este recubrimiento pueda usarse para los PPE. Por ejemplo, si alguien estornuda alrededor de un protector facial, esas son gotas de alta velocidad. Con un revestimiento tradicional, esas partículas podrían adherirse a la superficie del PPE”, dijo Wong. "Sin embargo, si los principios de diseño detallados en nuestra investigación se adoptaran con éxito, tendría la capacidad de repeler esas gotas mucho mejor y potencialmente mantener la superficie libre de gérmenes".
Como se ve en este trabajo, el Laboratorio Wong de Ingeniería Inspirada en la Naturaleza extrae conocimientos de los fenómenos biológicos para hacer que las innovaciones de la humanidad sean mejores y más efectivas.
“Si bien no imaginamos esa aplicación al comienzo de este proyecto, COVID-19 nos hizo pensar en cómo podemos usar este principio de diseño para beneficiar a más personas”, dijo Wong. "Depende de nosotros, como ingenieros, tomar estos descubrimientos y aplicarlos de manera significativa".
El siguiente paso para este trabajo será desarrollar un método rentable a gran escala que pueda fabricar un recubrimiento para imitar estas propiedades.
"En el pasado, no teníamos una superficie eficaz que pudiera repeler las gotas de agua a alta velocidad", dijo Wong. “Pero los insectos nos dijeron cómo. Hay tantos ejemplos como este en la naturaleza; solo tenemos que aprender de ellos ".
Fuente: scitechdaily.com, Penn State University