Biomimética: ¿pegajoso como un pulpo o resbaladizo como una hoja de loto?

En el 2004, Alice Pietsch de la University of Teacher Education Styria (Universidad de Educación de Maestros en Estiria)^w1, Austria, fue inspirada por una demostración simple pero muy visual en un museo de ciencia. Un maestro pensionado de ciencias utilizaba fuelles para impulsar aire hacia el par de pulmones de una oveja, inflándolos y desinflándolos rítmicamente. La multitud a su alrededor era mucho más grande que la de otros puestos de exhibición más tecnológicos – esto llevó a Alice a crear un museo de ciencias interactivo.

En el 2008, su sueño se convirtió en realidad. Durante 5 meses, estudiantes de Estiria de todas las edades desarrollaron 50 actividades para otros estudiantes. La exhibición Naturwissenschaft und Technik zum Angreifen (‘Ciencia y tecnología al tacto’) se llevó a cabo en el 2009 en la Haus der Wissenschaft (Casa de la ciencia’) en Graz, Austria, donde los estudiantes y sus maestros ayudaron a los visitantes con sus actividades. Fue un gran éxito.

La mayoría de las exhibiciones son apropiadas para las clases de ciencias; aquí presentamos dos actividades sobre biomimética – la aplicación de principios de la naturaleza en la ingeniería y la tecnología. El Velcro, que mimetiza los ganchos en las semillas de bardana, o las cubiertas de los barcos que mimetizan la piel gruesa de los delfines, son ejemplos comunes. Las actividades a continuación investigan las propiedades de las ventosas y la superhidrofobicidad, ambos presentes en la naturaleza. Las actividades fueron desarrolladas para estudiantes jóvenes de secundaria (con edades entre 10-15 años), pero fácilmente pueden ser adaptadas para estudiantes de casi cualquier edad y son una buena oportunidad para integrar la física, la química y la biología. Dependiendo del nivel de detalle que se quiera emplear, las actividades pueden tomar entre cinco minutos y un poco más de una hora.

La colección completa de actividades de la exhibición está disponible impresa en alemán a través de Birgit Muhr (birgit.muhr@phst.at) por €19 más costos de transporte.

Adhesión a superficies planas: presión negativa

Las ventosas de succión caseras fueron inspiradas en las patas de ranas arborícolas y en los tentáculos de los pulpos, cuyo poder de succión ya era conocido por los antiguos griegos.

Utilizamos estas ventosas en superficies planas – para adherir ganchos en las cerámicas de los baños o para estabilizar aparatos de cocina, y en las alfombras de hule en la ducha o las flechas de juguete. Pero ¿por qué se adhieren?

Si miras una ventosa de succión de cerca, verás que es ligeramente curva. ¿Será esta curvatura importante para el poder de adhesión? Y ¿por qué se tiene que humedecer la ventosa antes de utilizarla? Investiguemos.

Materiales

• 4 ventosas de succión (asegúrese de poderles colocar un hilo)

• Una segueta pequeña

• Un bastón o palo de 50cm, con 3-4cm de diámetro (los estudiantes tienen que ser capaces de colocar los dedos alrededor de este fácilmente)
• Cuatro pedazos de cuerda fuerte de 50cm
• Unas tijeras
• Una tabla de plástico (de alrededor de 1 x 1m)
• Un marcador permanente

Procedimiento

1. Utilizando la segueta, haga cuatro incisiones equidistantes en el palo.

2. Amarre un pedazo de cuerda a cada una de las ventosas de succión.

3. Amarre los otros extremos de las cuerdas a cada una de las incisiones en el palo.

4. Coloque la tabla de plástico en el suelo, y utilice el marcador permanente para dibujar cuatro círculos para las ventosas en una línea recta. A cada lado de la línea, dibuje una huella (ver imagen a la derecha).
5. Presione las ventosas sobre los cuatro círculos.
6. Repita el experimento humedeciendo las ventosas antes de adherirlas a la tabla plástica. ¿Qué observa?
7. Párese sobre las huellas e intente despegar las ventosas del plástico halando del palo.
8. ¿Qué le ocurre a la curvatura de las ventosas cuando están adheridas a la tabla de plástico?

Discusión

Cuando presiona la ventosa sobre la tabla de plástico, se reduce la curvatura de la ventosa, reduciendo el volumen del espacio entre la ventosa y la tabla, causando la expulsión del aire entre la ventosa y la tabla. Cuando se detiene la presión, la ventosa elástica tiende a recobrar su forma curvada original. El volumen en la cavidad entre la ventosa y la tabla se incrementa de nuevo, pero hay menos aire dentro de éste, y por lo tanto, una menor presión de aire. La mayor presión de aire fuera de la ventosa es lo que la mantiene adherida a la tabla.

Puede calcular la fuerza de succión así:

F = AP, donde F: fuerza; A: área; P: presión.

El área será πr² donde r es el radio de la ventosa. La presión dentro de la cavidad entre la ventosa y la tabla es insignificante comparada a la presión atmosférica, que es cerca de 100 000 Pa. Entonces:

F = πr² (100 000 Pa)

El tiempo que le toma a la ventosa volver a su forma original (sin aplicar alguna fuerza adicional) depende de qué tan poroso y liso sea el borde de la ventosa y la superficie subyacente, lo cual determina qué tan rápido el aire entra de nuevo y equilibra la presión.

Agua, saliva y otros líquidos funcionan bien para sellar la ventosa, haciéndola más hermética y previniendo que el aire entre fácilmente. Por lo tanto, se ocupa aún mayor presión para despegar las ventosas cuando las humedece primero antes de adherirlas a la superficie.

Efectos de auto-limpieza: hidrofobicidad en la naturaleza

La naturaleza tiene algunos fanáticos de la limpieza: los escarabajos peloteros que emergen de la boñiga impecables, muy raramente se encuentra una mariposa o una libélula sucia, y algunas plantas son muy exitosas en evadir la suciedad. El loto de India, por ejemplo, crece en aguas lodosas, y sin embargo, la suciedad no se adhiere a sus hojas; de hecho, en el Budismo, el loto es un símbolo de pureza. Puede encontrar este efecto del loto más cerca de su casa también: las hojas y flores de berro se ven limpias para comerlas, aún sin lavarlas (lávelas de todos modos, por si acaso). ¿Cómo lo logran sin jabón?

Los humanos han replicado estos efectos de auto-limpieza para muchos propósitos, por ejemplo, en plásticos, en tejas para los techos, vidrios, cerámicas, madera y barnices de autos, y pinturas de fachadas. Usted también puede crear ropa repelente a la suciedad al impregnarla con sustancias especiales.

¿Cómo funciona? Veamos.

Materiales

• Partes de diferentes plantas con propiedades de auto-limpieza, como hojas de berro (Tropaelum majus), hojas de loto (Nelumbo nucifera), hojas de repollo (Brassica oleracea), y hojas de tulipán (Tulipa spp.)
• Partes de diferentes plantas con hojas hidrofílicas, como hojas de la haya común (Fagus sylvatica) o de la magnolia del sur (Magnolia grandiflora)
• Agua, miel líquida y / o goma líquida
• Una pipeta Pasteur con bulbo y varias cucharas pequeñas
• Salsa de tomate Ketchup, canela molida y polvo de curry
• Papel periódico, toallas de cocina y textiles
• Impermeabilizante contra agua en aerosol (ej. para impermeabilizar tela), pintura auto-limpiable para fachadas basada en nano partículas, nano-revestimiento para madera o vidrio
• Opcional: una teja nano-sellada

Procedimiento

1. Humedezca las plantas auto-limpiables con agua, miel o goma y cúbralas con salsa de tomate, canela o curry (para simular polvo). ¿Qué observa?
2. Repita el experimento con las hojas hidrofílicas. ¿Qué observa?
3. Ahora investigue las propiedades de auto-limpieza de los materiales artificiales. Rocíe los textiles, las toallas de cocina y el periódico con diferentes tipos de tratamientos nano-selladores (ej. impermeabilizante en aerosol, pintura o revestimiento). Compare el efecto del mismo tipo de tratamiento sobre diferente materiales, o el efecto de diferentes tipos de tratamientos sobre el mismo material.
4. Utilice estos y otros materiales con nano-recubrimientos (ej. tejas) para repetir los experimentos, humedeciéndolos y ensuciándolos. ¿Qué observa?

Discusión

Si coloca agua o miel sobre una hoja de loto, esta se desliza rápidamente. Una mirada bajo un microscopio electrónico de barrido revela el por qué: tienen un gran número de pequeñas protuberancias cubiertas de cera en la superficie. Estas protuberancias tienen entre 10-20 µm de altura y se encuentran 10-15 µm separadas unas de otras.

¿Cómo ayuda esta estructura a la hoja de loto para permanecer limpia? Primero, la superficie de la hoja de loto es hidrofóbica (repelente al agua). La hidrofobicidad de la superficie se puede cuantificar como el ángulo de contacto entre la superficie y una gota de agua: entre mayor ángulo de contacto, más hidrofóbica es la superficie (ver imagen a la derecha). Las superficies con un ángulo de contacto <90° se llaman hidrofílicas (‘amantes del agua’); aquellas con un ángulo de contacto >90°, hidrofóbicas. Algunas plantas, conocidas como superhidrofóbicas, logran ángulos de contacto de hasta 160°, con sólo 2-3% de la superficie de la gota en contacto con la superficie de la hoja. Sin embargo, la hoja de loto no solo es superhidrofóbica pero también está cubierta por las protuberancias de cera ya mencionadas. Estas reducen aún más la superficie de contacto de la gota de agua (imagínese la gota de agua colocada sobre las puntas de las protuberancias), resultando en el mínimo contacto de la gota con la hoja (solamente 0.6% superficie de contacto) y se puede deslizar fácilmente.

Hemos visto cómo el agua se desliza sobre las hojas, pero ¿cómo hacen las hojas para deshacerse de las partículas de polvo? Las plantas están expuestas a una variedad de contaminantes, muchos de ellos son inorgánicos (polvo u hollín), pero otros son de origen biológico (ej. esporas de hongos, conidios, sereno o algas). En hojas repelentes al agua como las del loto, no solo la adhesión del agua a la superficie es reducida – la suciedad también simplemente es lavada por el agua. Sin embargo, esto no es tan obvio como parece: hay dos tipos diferentes de partículas de polvo – las hidrofílicas y las hidrofóbicas. La partículas hidrofílicas, como los sedimentos, son disueltos en la gota de agua y no pueden escapar de nuevo. Un rastro es visible en la hoja donde las gotas han incorporado las partículas y las han lavado.

Pero ¿qué hay de las partículas hidrofóbicas? Podría esperar que éstas se peguen a la superficie hidrofóbica de la hoja, pero de hecho, una gota de agua también puede remover estas partículas. ¿Cómo ocurre esto? Las partículas solo tocan las puntas más externas de las estructuras de cera, y debido a que esta superficie de contacto es pequeña, también lo son las fuerzas adhesivas entre la partícula y la hoja. Éstas son tan débiles que incluso las fuerzas adhesivas entre las partículas repelentes al agua y el agua son más fuertes. Entonces, a diferencia de la partícula hidrofílica que es incorporada dentro de la gota, la partícula hidrofóbica se adhiere a la superficie de la gota. Sin embargo, el efecto final es el mismo – es lavada de la planta.

La superhidrofobicidad no está presente solo en las plantas de loto: otras plantas tienen propiedades de auto-limpieza gracias a las alfombrillas de pelos que cubren las hojas, las alas de las mariposas tienen pequeños dientes que direccionan las gotas de lluvia hacia afuera del cuerpo del insecto sin importar si el ala está inclinada hacia arriba o hacia abajo, y la cutícula de los escarabajos peloteros está cubierto con texturas geométricas que la hacen hidrofóbica.

¿Cuál es la ventaja de estas superficies auto-limpiables? Para las plantas sedentarias, son una forma de protegerse contra microorganismos, como hongos, bacterias o algas. La mayoría de las plantas luchan químicamente contra estos enemigos a través de una gran gama de metabolitos secundarios, pero prevenir que se establezcan en primer lugar sobre la superficie podría ser potencialmente más efectivo. Además, si las hojas están cubiertas de polvo, se reduce la superficie disponible para la fotosíntesis. Las alas auto-limpiables de las mariposas tienen la ventaja de no retener agua y volverse pesadas, lo cual impediría que los insectos puedan volar.

Los humanos han desarrollado muchos tipos de tecnologías que emulan estos efectos hidrofóbicos. Los aerosoles de impermeabilización, por ejemplo, cubren el material con una capa similar a la cera que hace a los materiales hidrofróbicos. Algunas pinturas de fachadas van aún más lejos, formando pequeñas protuberancias cuando se secan. Estas protuberancias son tan repelentes al agua como las estructuras de cera del loto resultando en una superficie superhidrofóbica.

Agradecimientos

Las dos actividades en este artículo fueron desarrolladas en el contexto de un taller dirigido por Astrid Wonisch para estudiantes de la Universidad Karl-Franzens en Graz (Karl-Franzens-Universität Graz) quienes estaban estudiando para convertirse en profesores de biología, e incluyó la exhibición Naturwissenschaft und Technik Naturwissenschaft und Technik zum Angreifen (‘Ciencia y tecnología al tacto’).

Los estudiantes de biología Steffen Böhm y Karin Edlinger trabajaron junto a estudiantes de 7° y 8° grado (edades entre 17 y 19) de la clase de biomimética en la escuela secundaria BG / BRG Petersgasse, Graz, una escuela secundaria enfocada en las ciencias y matemáticas, y con las maestra de biología de la escuela, Renate Rovan y Ruth Unger, en la sección ‘Adhesión a superficies planas: presión negativa’.

Los estudiantes de biología Anna Freudenschuss e Ingo Fuchs trabajaron junto a estudiantes de 4° y 5° grado (edades entre 14-15) de la escuela secundaria BG / BRG Fürstenfeld, Fürstenfeld, en la sección ‘Efectos de auto-limpieza: hidrofobicidad en la naturaleza’.