Hallan un comportamiento inédito del agua

Unos científicos han descubierto un sorprendente fenómeno del agua que podría ser útil para impulsar una nueva ingeniería de procesos químicos, dispositivos miniaturizados y otras posibilidades.

Muchos de los eventos naturales y procesos industriales más trascendentales están vinculados al comportamiento del agua. Los autores del nuevo estudio han descubierto que sobre una superficie porosa con dimensiones nanométricas (un nanómetro equivale a la milmillonésima parte de metro) espontáneamente se genera un comportamiento del agua que podría aprovecharse para mejorar múltiples procesos industriales y también impulsar avances en nanofluídica, un campo de conocimiento que tiene un impacto significativo en la biotecnología, la medicina, el diagnóstico clínico y otras áreas.

Se sabe que la interacción entre volúmenes discretos de agua (por ejemplo, dos gotas) conduce a la coalescencia (se “fusionan”) y, por consiguiente, pierden su individualidad. Por lo general, este fenómeno no es deseado en numerosos procesos industriales porque, a modo de ejemplo, puede interferir en la eficiencia de diversos procedimientos químicos o en eventos de transferencia de calor. En este contexto, los autores del estudio hallaron que sobre un material nanoestructurado se produce el fenómeno contrario: las gotas espontáneamente se deforman sobre una superficie nanoporosa ultradelgada y en vez de fusionarse provocan particiones de agua autogeneradas y autosostenibles.

“Esta fenomenología inédita rompe con las limitaciones para lograr la ‘partición’ del agua (compartimentación acuosa). Tradicionalmente, este fenómeno se logra mediante el uso de especies químicas, nosotros lo logramos a través de un evento físico espontáneo inducido por los nanomateriales. Estos novedosos resultados abren posibilidades de investigación con potencial aplicación en biotecnología y en la transferencia a tecnologías industriales como, por ejemplo, el manejo térmico o la ingeniería de procesos químicos”, afirma Martín Bellino, uno de los responsables del hallazgo e investigador del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) en el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (INN, dependiente del CONICET y de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA)), en Argentina todas estas instituciones.

Descubrir que sobre una película delgada cuya superficie esté cubierta de nanoporos el agua se particiona formando gotas que no se fusionan, causó una honda sorpresa al equipo de investigación. “Resultó asombroso ver que se evitaba la necesidad de recurrir a métodos químicos para lograr una partición acuosa”, destaca Bellino.

Comportamiento espontáneo de no-coalescencia entre gotas de agua (no se fusionan) sobre una superficie nanoporosa. (Imagen: el equipo de investigación. CC BY 2.5 AR)

Galo Soler-Illia, también coautor del estudio, investigador del CONICET y director del Instituto de Nanosistemas (INS) de la Universidad Nacional de San Martín (UNSAM), en Argentina, afirma que el hecho de tener dos “reservorios” acuosos con diferente composición y que puedan mantener su individualidad física pese a estar en contacto brinda muchas posibilidades en el control de reacciones químicas llamadas de “transferencia de fase”, en las que dos reactivos entran “por separado” a la reacción. Y agrega: “Usualmente esto, que puede tener aplicaciones en procesos químicos industriales o dispositivos de diagnóstico o terapéutico, se logra entre dos líquidos de muy diferente polaridad, por ejemplo, agua y un solvente orgánico, pero ahora, tal como lo demuestra nuestro estudio, podríamos hacerlo entre dos líquidos con la misma polaridad. ¿Por qué no?”.Sin duda, con ello se abren nuevas puertas hacia múltiples aplicaciones prácticas.

Como ejemplo de aplicabilidad, los autores de la investigación demostraron que el nanomaterial brinda la capacidad de “moldear” agua mediante agua y además lograr una dosificación química local de reactivos entre las gotas vecinas. “Estas gotas no se fusionan, pero a la vez son químicamente interactuantes permitiendo la transferencia vectorial de solutos entre ellas. Las potenciales aplicaciones abarcan desde la creación de conductores de señales direccionadas y actuadores modulares para la construcción y operación de microdispositivos líquidos, hasta el desarrollo de células artificiales (dentro de las cuales hay compartimentaciones acuosas para lograr su metabolismo celular) con finalidades tecnológicas o de investigación”, puntualiza Bellino.

En esa línea, Agustín Pizarro, coautor del estudio y becario del CONICET en el Instituto de Nanosistemas (INS), indica que si bien la superficie del nanomaterial hace que se genere una barrera hidráulica que inhibe la coalescencia o fusión de las gotas, “el transporte de especies químicas entre ellas es posible, permitiendo la dosificación desde una gota hacia la otra a través de los poros, actuando como una especie de nanodispensador”. Y continúa: “Esto abre camino a que se puedan diseñar y desarrollar circuitos de gotas intercomunicadas, con potenciales aplicaciones como el desarrollo de sensores para el diagnóstico de enfermedades o procesos industriales, y nuevos avances en biología sintética e iontrónica, un campo emergente que busca aprovechar el transporte controlado de iones como portadores de carga, de forma análoga al flujo de electrones en la electrónica, con el fin de procesar información y realizar funciones en múltiples dispositivos”.

El avance también puede ser útil para el desarrollo de “laboratorios en un chip”, dispositivos miniaturizados (aproximadamente del tamaño de una memoria USB) que integran las funciones de un laboratorio completo en una plataforma portátil con el fin de realizar análisis de pequeñas muestras para hacer diagnósticos.

Claudio Berli, investigador del CONICET y director del Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química (INTEC, del CONICET y la UNL), también colaboró en el estudio.

El estudio se titula “Autonomous Noncoalescence among Water Drops through Nanopore-Induced Self-Warping”. Y se ha publicado en la revista académica Nano Letters. (Fuente: Bruno Geller / CONICET. CC BY 2.5 AR)