Traducido por Maia Segura-Wang.
Astrid Wonisch, Margit Delefant y Marlene Rau Rau presentan dos actividades desarrolladas por el proyecto austriaco ‘Naturwissenschaft und Technik zum Angreifen’ para investigar cómo la tecnología se inspira en la naturaleza.
pulpo
Imagen cortesía de chang /
iStockphoto
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.
sus propiedades hidrofóbicas
Imagen cortesía de tanakawho;
origen de la imagen: Flickr
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.
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.
Imagen cortesía de Nickodemo;
origen de la imagen: Flickr
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.
Imagen cortesía de
EddWestmacott / iStockphoto
adhesión. Alternativamente,
puede utilizarse una solo
ventosa de succión y un
pedazo más corto de madera
(vea parte trasera de la
imagen)
Imagen cortesía de PHSt Archiv
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.
permanece impecable aún
cuando se da gusto con su
pasatiempo favorito
Imagen cortesía de vendys /
iStockphoto
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.
Algunos estudiantes pueden ser alérgicos a algunas plantas o partes de plantas como el polen. Cuando utilice nano-recubrimientos, impermeabilizante en aerosol, etc., lea cuidadosamente las instrucciones en el empaque. Éstos podrían requerir el uso de guantes o espacios bien ventilados. Vea también la nota de seguridad general.
electrónico de barrido con
magnificaciones de 300x
(arriba), 2500x (centro) y
3000x (abajo) mostrando las
estructuras de cera en la
superficie de una hoja de
arroz, similares a las de las
hojas de berro y de loto. La
primera imagen muestra las
protuberancias de cera en
medio de los estomas; la
segunda imagen muestra un
acercamiento al estoma; la
tercera imagen muestra las
papilas en la superficie de la
hoja y los finos detalles de
las estructuras de cera
Imágenes cortesía de Sarah
Perfect / Syngenta
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.
una gota de agua en una
superficie
Imagen de dominio público;
origen de la imagen: Wikimedia
Commons
¿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.
superficie, demostrando
diferentes niveles de
hidrofobicidad
Imagen cortesía de
MesserWoland; origen de la
imagen: Wikimedia Commons
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.
superhidrofóbica, una gota
será casi esférica y tendrá un
muy bajo ángulo de contacto
Imagen de dominio público;
origen de la imagen: Wikimedia
Commons
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.
mariposa
Imagen cortesía de Sebastian;
origen de la imagen: Flickr
¿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.
barrido de las diminutas
escamas que forman la
superficie del ala de la
mariposa Pavo Real
(magnificación 50x)
Imagen cortesía de SecretDisc;
origen de la imagen: Wikimedia
Commons
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’.
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La página web EGFI: http://teachers.egfi-k12.org/nano-waterproofing
La página web Nanoyou (http://nanoyou.eu) o use el enlace directo: http://tinyurl.com/6d88zmd
El portal de información NanoEd (www.nanoed.org) o use el enlace directo al PDF: http://tinyurl.com/6dwxo2b
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