Un nuevo sistema desarrollado por ingenieros del MIT podría permitir controlar la forma en que el agua se mueve sobre una superficie, utilizando solo luz. Este avance puede abrir la puerta a tecnologías como dispositivos de diagnóstico microfluídicos cuyos canales y válvulas podrían reprogramarse en elvolar, o sistemas de campo que podrían separar el agua del petróleo en una plataforma de perforación, dicen los investigadores.
El sistema, informado en el diario Comunicaciones de la naturaleza , fue desarrollado por el profesor asociado de ingeniería mecánica del MIT Kripa Varanasi, el profesor de Innovación Docente de la Escuela de Ingeniería Gareth McKinley, el ex postdoctorado Gibum Kwon, el estudiante graduado Divya Panchanathan, el ex investigador científico Seyed Mahmoudi y Mohammed Gondal en la Universidad King Fahd dePetróleo y minerales en Arabia Saudita.
El objetivo inicial del proyecto era encontrar formas de separar el petróleo del agua, por ejemplo, para tratar la mezcla espumosa de agua salada y petróleo crudo producido a partir de ciertos pozos de petróleo. Cuanto más se mezclan estas mezclas, más fina es lalas gotas son más difíciles de separar. A veces se utilizan métodos electrostáticos, pero estos requieren mucha energía y no funcionan cuando el agua es muy salina, como suele ser el caso. En cambio, el equipo exploró el uso de ""superficies fotorrespuesta", cuyas respuestas al agua pueden ser alteradas por la exposición a la luz.
Al crear superficies cuyas interacciones con el agua, una propiedad conocida como humectabilidad, podría activarse por la luz, los investigadores descubrieron que podían separar directamente el aceite del agua al hacer que las gotas individuales de agua se unieran y se extendieran por la superficie.Cuanto más se fusionan las gotas de agua, más se separan del aceite.
Los materiales fotosensibles se han estudiado y utilizado ampliamente; un ejemplo es el ingrediente activo en la mayoría de los protectores solares, dióxido de titanio, también conocido como titania. Pero la mayoría de estos materiales, incluido el titania, responden principalmente a la luz ultravioleta y casi nada a la luz visibleSin embargo, solo alrededor del 5 por ciento de la luz solar está en el rango ultravioleta. Por lo tanto, los investigadores descubrieron una forma de tratar la superficie de titania para que responda a la luz visible.
Lo hicieron utilizando primero una técnica de deposición capa por capa para construir una película de partículas de titania unidas a polímeros en una capa de vidrio. Luego, recubrieron el material con un tinte orgánico simple. La superficie resultante se volviófuera altamente sensible a la luz visible, produciendo un cambio en la humectabilidad cuando se expone a la luz solar que es mucho mayor que el de la titania misma. Cuando se activa por la luz solar, el material demostró ser muy eficaz para "demulsificar" la mezcla de aceite y agua -conseguir que el agua y el aceite se separen unos de otros
"Nos inspiramos en el trabajo en la energía fotovoltaica, donde se utilizó la sensibilización del tinte para mejorar la eficiencia de la absorción de la radiación solar", dice Varansi. "El acoplamiento del tinte a las partículas de titania permite la generación de portadores de carga tras la iluminación de la luz. Esto crea una diferencia de potencial eléctrico que se establece entre la superficie y el líquido tras la iluminación, y conduce a un cambio en las propiedades de humectación ".
"El agua salina se extiende en nuestra superficie bajo iluminación, pero el petróleo no", dice Kwon, quien ahora es profesor asistente en la Universidad de Kansas. "Encontramos que prácticamente toda el agua de mar se extenderá en la superficie ysepararse del petróleo crudo, bajo luz visible "
El mismo efecto también podría usarse para conducir gotitas de agua a través de una superficie, como lo demostró el equipo en una serie de experimentos. Al cambiar selectivamente la humectabilidad del material utilizando un haz de luz en movimiento, se puede dirigir una gotita hacia la parte más humectableárea, propulsándola en cualquier dirección deseada con gran precisión. Tales sistemas podrían diseñarse para fabricar dispositivos microfluídicos sin límites o estructuras incorporadas. El movimiento del líquido, por ejemplo, una muestra de sangre en un laboratorio de diagnóstico en un chip- estaría completamente controlado por el patrón de iluminación que se proyecta sobre él.
"Al estudiar sistemáticamente la relación entre los niveles de energía del tinte y la humectabilidad del líquido en contacto, hemos creado un marco para el diseño de estos sistemas de manipulación de líquidos guiados por la luz", dice Varanasi. "Al elegir eltipo de tinte correcto, podemos crear un cambio significativo en la dinámica de las gotas. Es un movimiento inducido por la luz, un movimiento sin contacto de las gotas ".
La humectabilidad conmutable de estas superficies tiene otro beneficio: pueden ser en gran medida autolimpiantes. Cuando se cambia la superficie de atrayente de agua hidrofílica a repelente de agua hidrofóbica, cualquier agua en la superficie se expulsa y transportacon ella cualquier contaminante que pueda haberse acumulado.
Dado que el efecto fotorrespuesta se basa en el recubrimiento de tinte, puede ajustarse mucho seleccionando entre los miles de tintes orgánicos disponibles. Todos los materiales involucrados en el proceso son materiales de bajo costo, ampliamente disponibles, según los investigadores,y los procesos para hacerlos son comunes.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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