Numerosos eventos naturales y procesos industriales importantes están relacionados con cómo se comporta el agua. Recientemente, investigadores del CONICET descubrieron que en una superficie porosa a nivel nanométrico (un nanómetro equivale a una mil millonésima parte de un metro) surge un nuevo comportamiento del agua que podría ser útil para optimizar varios procesos industriales y también para avanzar en la nanofluídica, un área que influye considerablemente en la biotecnología, la medicina, el diagnóstico clínico y otros campos.
Es conocido que cuando volúmenes separados de agua (como dos gotas) interactúan, sucede la coalescencia (se “unen”) y, por lo tanto, pierden su individualidad. Normalmente, este fenómeno no es deseado en muchos procedimientos industriales, ya que puede afectar la eficiencia de varios procesos químicos o la transferencia de calor.
En este marco, los científicos del CONICET encontraron que en un material nanoestructurado ocurre lo contrario: las gotas se deforman de forma espontánea sobre una superficie nanoporosa delgada y, en lugar de fusionarse, logran crear particiones de agua que se autogeneran y son autosostenibles. Este avance fue publicado en la revista Nano Letters.
“Este fenómeno inédito elimina las limitaciones para lograr la ‘partición’ del agua (compartimentalización acuosa). Usualmente, esto se consigue con sustancias químicas, pero nosotros lo logramos a través de un evento físico espontáneo provocado por los nanomateriales.
Estos hallazgos novedosos abren nuevas vías de investigación con aplicaciones potenciales en biotecnología y en la transferencia hacia tecnologías industriales, como el manejo térmico o la ingeniería de procesos químicos”, señala Martín Bellino, uno de los líderes del descubrimiento e investigador del CONICET en el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (INN, CONICET-CNEA).
Fenómeno novedoso
Los autores del estudio encontraron que en una fina película cubierta de nanoporos, el agua se divide en gotas que no se fusionan. “Fue sorprendente observar que no era necesario utilizar métodos químicos para lograr la partición del agua”, resalta Bellino. Galo Soler-Illia, quien lidera el proyecto, es investigador del CONICET y al mismo tiempo director del Instituto de Nanosistemas de la Universidad Nacional de San Martín (INS, UNSAM).
Él señala que disponer de dos “reservorios” de agua con composiciones diferentes, que pueden mantener su naturaleza individual aunque estén en contacto, proporciona muchas oportunidades para controlar reacciones químicas conocidas como “transferencia de fase”.
En estas reacciones, dos reactivos entran “por separado”. También menciona: “Normalmente, esto, que puede ser útil en la industria química o en dispositivos diagnósticos o terapéuticos, ocurre entre dos líquidos que tienen polaridades muy distintas, como el agua y un disolvente orgánico.
Sin embargo, como lo muestra nuestro estudio, ahora también podríamos lograrlo entre líquidos con polaridades iguales. ¿Por qué no explorar esta posibilidad? ¿Qué nuevas oportunidades podemos descubrir?”. Como ejemplo de su aplicabilidad, los investigadores mostraron que el nanomaterial permite “modelar” agua mediante agua y también realizar una dosificación local de reactivos entre gotas vecinas. “Estas gotas no se mezclan, pero son químicamente interactivas, lo que facilita la transferencia de solutos de una a otra.
Las posibles aplicaciones incluyen la creación de conductores para señales dirigidas y actuadores modulares que pueden usarse en la construcción y operación de microdispositivos líquidos, así como el desarrollo de células artificiales que tienen compartimientos acuosos para favorecer su metabolismo celular, tanto para fines tecnológicos como de investigación”, específica Bellino.
Asimismo, Agustín Pizarro, primer autor del estudio y becario del CONICET en el INS, menciona que a pesar de que la superficie del nanomaterial forma una barrera hidráulica que evita que las gotas se unen o fusionan, “la transferencia de especies químicas entre ellas es factible, permitiendo que se dosifiquen desde una gota a otra a través de poros, funcionando como una especie de nano-distribuidor”. Además, agrega: “Esto permite que se puedan crear y desarrollar circuitos de gotas comunicadas, con aplicaciones potenciales en el desarrollo de sensores para el diagnóstico de enfermedades o para procesos industriales, así como en nuevos avances en la biología sintética y en iontrónica, un campo emergente que busca utilizar el transporte controlado de iones como portadores de carga, de manera similar al flujo de electrones en la electrónica, para procesar información y realizar funciones en diversos dispositivos”.
Este avance también podría ser beneficioso para el desarrollo de “laboratorios en chip”, que son dispositivos miniaturizados, aproximadamente del tamaño de un pen drive, que integran todas las funciones necesarias de un laboratorio en una plataforma portátil con el objetivo de analizar pequeñas muestras para realizar diagnósticos.
Para Soler-Illia, es concebible pensar en lo que sucedería si se conectan canales porosos en distintas superficies, con el objetivo de “conseguir una mayor exactitud en el posicionamiento de un proceso químico, en el reconocimiento molecular, o en gotas de líquidos variados, donde podemos experimentar con la presión en los poros, la capacidad de mezclarse de los líquidos y la reactividad de las sustancias.
Sin duda, se nos presenta un camino muy interesante, ya que podemos diferenciar las influencias de la química y de los fenómenos hidráulicos y de difusión. Las superficies con nanoporos son un campo fascinante de estudio, donde al adentrarnos encontramos fenómenos que son inesperados, pero muy atractivos y con un gran potencial de utilidad”.
Para Bellino, la nueva investigación desarrollada completamente en Argentina establece un nuevo enfoque para la generación de particiones acuosas a través del diseño de nanomateriales que provoquen una acción física espontánea, eliminando la necesidad de añadir sustancias químicas específicas.
Y añade: “En el futuro, nos propondremos investigar este fenómeno de no coalescencia entre patrones de gotas múltiples que están químicamente conectadas, con el fin de alcanzar comportamientos o reacciones colectivas que sean relevantes para el avance de aplicaciones en la industria”.
