Cómo transformar la niebla en agua potable: La naturaleza nos enseña a capturar agua en el desierto.

El agua es el ingrediente básico de la vida. Sin embargo, la escasez de agua dulce y limpia en muchas regiones se vuelve cada vez más evidente, lo que representa una amenaza integral para la vida y obliga a considerar abordajes tecnológicos para resolver dicho problema. A diferencia de las dificultades que debemos enfrentar los seres humanos para poder acceder al agua limpia, algunos escarabajos del desierto de Namibia pueden sobrevivir en un ambiente mayormente hostil gracias a su capacidad de recolectar el agua presente en la niebla. Esto se debe a su caparazón irregular conformada, en parte, por áreas hidrofóbicas recubiertas de cera y regiones hidrofílicas que no poseen dicho recubrimiento. [1] También se sabe que algunas estructuras, tales como las telarañas, capturan el agua de la niebla. En el caso de estas últimas, el efecto se produce por una estructura de fibras que alterna regiones de nudos compuestos por nanofibrilas aleatorias conectadas por nanofibrilas bien alineadas. Estas diferencias estructurales provocan un gradiente de energía en la superficie y un gradiente de presión de Laplace entre los nudos y las uniones, que resultan en una continua condensación y recolección direccional de agua alrededor de los nudos.[2] En analogía con el mecanismo responsable de la capacidad de recolección de agua de las telarañas, también muchas especies de cactus recolectan el agua presente en la niebla mediante gradientes de energía libre superficial, inducidos por las estructuras microscópicas de la superficie de sus púas, que logran la recolección de agua en la base de las púas.[3]
A)

Figura 1: a) Escarabajo del desierto de Namibia que recolecta agua en su cuerpo mediante el patrón especializado de su caparazón (patrón de mojabilidad). b) Telaraña que recolecta agua en las uniones de dos filamentos de seda de araña, dado que la energía libre superficial difiere entre las fibras caracterizadas por nudos periódicos formados por nanofibrilas aleatorias y las uniones de fibra, que se componen de nanofibrilas alineadas (gradiente de mojabilidad). Las púas de un cactus también capturan agua mediante el gradiente de mojabilidad superficial.

Al observar la naturaleza, Yongping Hou y Yongmei Zheng del Key Laboratory of Bio-Inspired Smart Interfacial Science and Technology de la Universidad de Beihang, combinaron la superficie estructurada de los escarabajos con las diferencias de mojabilidad observadas en las telarañas para generar superficies bioinspiradas con patrones y gradientes de mojabilidad (WPGS, según su sigla en inglés), como se publicó recientemente en ACS Applied Materials & Interfaces.[4]

[Gradiente mojable – telaraña – cactus; Patrón mojable – escarabajo de Namibia; Movimiento del agua con mayor mojabilidad; Patrón mojable + Gradiente mojable = WPGS]

 

Figura 2: Combinación del principio de gradientes de mojabilidad con patrones de mojabilidad, que resulta en una superficie en la que la mojabilidad de un patrón (como puntos o estrellas) aumenta de forma continua, y conduce a una mayor recolección de agua y eficiencia de drenaje.

Las superficies WPGS recientemente diseñadas han demostrado un buen rendimiento en la captación de agua del patrón hidrofílico al tiempo que el material de sustrato hidrofóbico ha logrado contener el drenaje. Dado que las gotas de agua circulan eficientemente hacia las regiones de mayor mojabilidad, la superficie se regenera continuamente, lo que conduce a un proceso de captación de agua más productivo. Además, los autores destacaron los efectos positivos de WPGS, en comparación con las superficies de patrón hidrofílico-hidrofóbico (HHPS, según su sigla en inglés), dado que se reduce la influencia de la gravedad con un ángulo de sustrato de 0° o 45°, en el que se observan claras ventajas para WPGS, que desaparecen debido a la fuerte influencia de la gravedad a 90°. Las superficies de prueba se fabricaron con una oxidación de gradiente anódico con base de máscara (MGAO). Es importante caracterizar la mojabilidad de la superficie en patrón, que se efectuó con el dispositivo de medición de ángulo de contacto, OCA 40Micro, de DataPhysics Instruments, y ha demostrado un claro gradiente local de mojabilidad a distintas posiciones de superficie. Dado que el método de fabricación es escalable y es posible contar con abundante material de sustrato como el aluminio de carbono, se puede considerar una aplicación potencial de recolección de líquido a partir del aire en regiones secas.

Observaciones de DPI:

La creación de una nueva superficie integrativa bioinspirada con patrones y gradientes de mojabilidad (WPGS) ha permitido observar un movimiento direccional de las gotas hacia las superficies con mayor mojabilidad. La superficie obtenida no solo puede mejorar el rendimiento de captación de gotas de niebla, debido a los patrones hidrofílicos, sino que también puede mantener un drenaje efectivo del agua con el sustrato hidrofóbico durante el proceso de recolección de niebla.

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[1] Parker A. R., Lawrence C. R. (2001). Water capture by a desert beetle. Nature, 414(6859), 33–34. doi:10.1038/35102108

[2] Zheng Y., Bai H., Huang Z., Tian X., Nie F.-Q., Zhao Y., Zhai J., Jiang L. (2010). Directional water collection on wetted spider silk. Nature, 463(7281), 640-643. doi:10.1038/35102108

[3] Ju J., Bai H., Zheng Y., Zhao T., Fang R., Jiang L. (2012). A multi-structural and multi-functional integrated fog collection system in cactus. Nature Communications, 3(1). doi:10.1038/ncomms2253

[4] Xing Y., Shang W., Wang Q., Feng S., Hou Y., Zheng Y. (2019). Integrative Bioinspired Surface with Wettable Patterns and Gradient for Enhancement of Fog Collection, ACS Applied Materials & Interfaces, 11(11), 10951-10958. doi:10.1021/acsami.8b1957