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Crean material “teflón” contra el mercurio

Arturo Tinoco Arenas
22/ene/2014

Uno de los fenómenos más espectaculares para Rolando Castillo, investigador del Instituto de Física, es ese momento en el que es posible observar las gotas de agua parcialmente esféricas en las superficies de las plantas.

Eso sucede únicamente con las plantas que son hidrofóbicas, es decir, que tienen una propiedad que evita el contacto con el agua (lo contrario a las propiedades hidrofílicas) y que propicia que el líquido no moje la superficie.

¿Sólo es posible este fenómeno en agua? Fue la pregunta que llevó al investigador especialista en el área de física-química y a sus colegas Juan Escobar, del IFUNAM, Cristina Garza y Carlos Alonso, del Instituto de Investigaciones en Materiales, a buscar generar el mismo fenómeno con mercurio y no solamente lograr una superficie mercurofóbica (que el mercurio no moje a la superficie) sino hacer al mercurio superhidrófobico de tal manera que el mercurio tenga un contacto tan leve con la superficie que parezca como una esfera sólida manteniendo su estado líquido.

Sus resultados fueron reportados en el artículo "Super-mercuryphobic and hydrophobic diamond surfaces with hierarchical structures: Vanishment of the contact angle hysteresis with mercury" en marzo del 2013 en la revista Applied Surface Science.

Para crear materiales que pudieran hacer al mercurio superhidrofóbico se necesita conseguir un ángulo de contacto de ciento ochenta grados así se dice que el líquido “no moja la superficie”, explicó Castillo para Noticias IFUNAM.

Las hojas de las plantas hidrofóbicas tiene pequeños vellos que evitan que la gota tenga contacto con la superficie, este efecto es conocido como el efecto “faquir” muy parecido a acostarse en una cama de clavos y lograr mantenerse aislado de la superficie.

El equipo al que pertenece Rolando Castillo consiguió construir un material que tuviera tales puntas a escala nanométrica. Para ello utilizaron muestras de diamante dopadas con boro que fueron horneadas a 850° por diez minutos para conseguir una textura parecida a la generada por la corrosión o al ataque químico que daña la superficie de la estructura cristalina (arreglo periódico que forman a los sólidos como el diamante). Para estudiar estas puntas y dar las características físicas necesarias de la muestra se utilizó espectroscopía fotoelectrónica de rayos X.


Escaneo de la superficie de la superficie del diamante dopado con boro, la muestra se sometió a un proceso de cocción para generar puntas nanométricas.

Estas “arrugas” en el material permiten que entre aire en la interfaz (que es la zona de separación entre dos materiales distintos) mercurio-diamante y como el mercurio evita tocar el aire, o como coloquialmente se dice “no le gusta” tocarlo, sólo tiene contacto con las puntas del diamante.

De esta manera se logró construir la superficie supermercuriofóbica con películas de diamante y al colocar la gota de mercurio se logra una esfera de este material tan perfecta que a simple vista parece una esfera sólida, sin embargo, no se trata de la solidificación del material pues las moléculas dentro de la esfera siguen trasladándose, un movimiento típico de los líquidos, especificó el investigador.


Estudio del ángulo de contacto del mercurio con distintas muestras: cristal de diamante pulido, monocristalino y cristal con puntas nanométricas.

Además, se realizó un experimento que permite entender las propiedades de mojabilidad del mercurio en diamante. De acuerdo con Castillo, “esta esfera fue comprimida y desplazada sobre la superficie horneada para estudiar la formación de los ángulos anteriores y posteriores de ida y de vuelta en la muestra, la diferencia entre estos ángulos es conocido como ángulo de histéresis”.

Del experimento se obtuvieron dos conclusiones. La primera es que al presionar la gota, ésta se deforma, pero una vez que se suelta regresa a su forma original, esto es conocido como un proceso reversible pues llega a su forma original después de realizar el experimento.

La segunda conclusión es acerca de la impermeabilidad del material; si el líquido fuera muy viscoso y la superficie muy lisa, al desplazarse quedaría totalmente embarrado sobre la superficie. Pero esto no sucede en el caso del diamante dopado con boro horneado, pues la gota de mercurio donde la gota forma ángulos de ida y vuelta más similares conforme el material se va volviendo más supermercurofóbico, por esta razón el ángulo de histéresis es nulo y se deduce que el mercurio no moja a la superficie. De alguna forma, el diamante dopado con boro es un tipo de teflón para este líquido.

Estudio de un proceso reversible y del ángulo de histéresis.

“Imaginemos las ventajas de una superficie que no moja como los pantalones que son difíciles de manchar o las pinturas de las fachadas de las casas que no permiten que las moléculas de los espráis se adhieran evitando los grafitis, encontramos un caso análogo en el mercurio”, dice Castillo.

“Aún más –continúa- encontramos un líquido que tiene una tensión superficial tan alta que se muestra como un sólido sin cambiar ningún estado de fase, es cuando decimos que un líquido se comporta como un sólido”.

Los resultados de esta investigación sirvieron como base para una publicación en una de las revistas más importantes de la comunidad científica: Physical Review Letters. El artículo titulado "Force of Adhision Upon Loss of Contact Angle Hysteresis: When a Liquid Behaves Like a Solid" tuvo tal el éxito que consiguió un grado de impacto a nivel 7, y en el que reportan el hallazgo experimental de la anulación del ángulo de histéresis de contacto y la obtención de la fuerza de adhesión calculada a medio micro newton.

Una vez estudiadas las propiedades de la tensión superficial, Castillo pretende estudiar unos puntos singulares conocidos como “pinning points” (o puntos de agarre).

Para explicar estos puntos de agarre, Rolando Castillo se basa en un simple fenómeno que podemos ver fácilmente: “cuando llueve, algunas gotas de lluvia quedan adheridas al vidrio pues se atoran en pequeños huecos de la superficie. En estos puntos se forman los pinning points”.

Pasa lo mismo con el mercurio cuando se adhiere, por ejemplo, a la cinta adhesiva. Lo hace con tal fuerza que no escurre ni siquiera cuando se coloca la cinta de cara al piso. Lo que planea Castillo es estudiar ese fenómeno y cómo se originan los pinning points del mercurio.