Hallan un comportamiento inédito del agua con potenciales aplicaciones en la industria

Muchos de los eventos naturales y procesos industriales más trascendentales están vinculados al comportamiento del agua. Ahora, especialistas del CONICET hallaron que sobre una superficie porosa con dimensiones nanométricas (un nanómetro equivale a la mil millonésima parte de metro) espontáneamente se genera un novedoso 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.

Es bien sabido 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, científicos del CONICET hallaron que sobre un material nanoestructurado se produce el fenómeno contrario: las gotas espontáneamente se deforman sobre una superficie nanoporosa ultradelgada y en lugar de fusionarse logran particiones de agua autogeneradas y autosostenibles. El avance se describe en la revista Nano Letters.

“Esta fenomenología inédita rompe con las limitaciones para lograr la ‘partición’ del agua (compartimentalización 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 líderes del hallazgo e investigador del CONICET en el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (INN, CONICET-CNEA).

Fenómeno inédito

Los autores del trabajo descubrieron que sobre una película delgada cuya superficie está cubierta de nanoporos el agua se particiona formando gotas que no se fusionan.

“Resultó sorprendente ver que se evitaba la necesidad de recurrir a métodos químicos para lograr una partición acuosa”, destaca Bellino.

Galo Soler-Illia, también líder del trabajo, investigador del CONICET y director del Instituto de Nanosistemas de la Universidad Nacional de San Martín (INS, UNSAM), 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? ¿Qué nuevas puertas se abren?”.

Como ejemplo de aplicabilidad, los autores del trabajo 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 compartimentalizaciones acuosas para lograr su metabolismo celular) con finalidades tecnológicas o de investigación”, puntualiza Bellino.

En esa línea, Agustín Pizarro, primer autor del trabajo y becario del CONICET en el 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 nano-dispenser”. 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, para procesar información y realizar funciones en múltiples dispositivos”.

El avance también puede ser útil para el desarrollo de “laboratorios en 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 realizar diagnósticos.

Para Soler-Illia, es posible imaginar lo que podría pasar si se ponen en contacto canales de poros en diferentes superficies, apuntando “a lograr una mayor precisión en la localización de un proceso químico, o de reconocimiento molecular, o gotas de diferentes líquidos, en las cuales podamos jugar con la presión dentro de los poros, la miscibilidad de los líquidos, y la reactividad de las sustancias. Indudablemente, se abre un camino muy fascinante ante nuestros ojos, ya que podemos separar las contribuciones de la química y los fenómenos hidráulicos y difusivos. Las superficies nanoporosas son un área de investigación apasionante, en la que cada vez que entramos, nos encontramos con fenómenos contraintuitivos, pero muy bellos y potencialmente útiles”.

Para Bellino, el nuevo trabajo, hecho íntegramente en Argentina, inaugura un nuevo paradigma para la creación de particiones acuosas mediante el diseño de nanomateriales que induzcan a un hecho físico espontáneo que evita la necesidad de incorporar especies químicas específicas. Y concluye: “Con respecto al futuro apuntaremos a explorar este fenómeno de no coalescencia entre patrones de múltiples gotas interconectadas químicamente para lograr comportamientos o reacciones colectivas que puedan ser de interés para el desarrollo de aplicaciones en la industria”.

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