Un análisis de las gotas de lluvia de alta velocidad que golpean superficies biológicas como plumas, hojas de plantas y alas de insectos revela cómo estas carillas altamente repelentes al agua reducen el impacto del agua para minimizar el daño.
El estudio, “Cómo se rompe una gota de lluvia en las superficies biológicas”, fue publicado en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
La investigación mostró cómo las protuberancias a microescala, combinadas con una capa de cera a nanoescala, fraccionan y esparcen estas gotas para proteger las superficies frágiles del daño físico y el riesgo de hipotermia.
Ya existe un gran mercado para productos que usan ejemplos de la naturaleza, conocidos como biomimética, en su diseño: aerosoles autolimpiantes resistentes al agua para ropa y zapatos, y recubrimientos anticongelantes en las alas de los aviones. Los resultados de este estudio podrían conducir a más productos de este tipo en el futuro.
“Este es el primer estudio que comprende cómo las gotas de lluvia de alta velocidad impactan estas superficies hidrófobas naturales”, indicó Sunghwa “Sunny” Jung, profesor asociado de ingeniería biológica y ambiental en la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida. El autor principal es Seungho Kim, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Jung.
Estudios anteriores han analizado el agua que golpea insectos y plantas con bajo impacto y han observado las propiedades de limpieza del líquido. Pero en la naturaleza, las gotas de lluvia pueden caer a velocidades de hasta 10 metros por segundo, por lo que esta investigación examinó cómo las gotas de lluvia que caen a altas velocidades interactúan con superficies naturales súper hidrofóbicas.
Las gotas de lluvia presentan riesgos, explicó Jung, porque su impacto podría dañar las frágiles alas de mariposa, por ejemplo.
“[Ser golpeado con] gotas de lluvia es el evento más peligroso para este tipo de animal pequeño”, dijo, y señaló que el peso relativo de una gota de lluvia que golpea un ala de mariposa sería análogo a una bola de boliche que cae del cielo sobre un humano.
Para este estudio, los investigadores recolectaron muestras de hojas, plumas e insectos. Estos últimos fueron adquiridos de la Colección de Insectos de la Universidad de Cornell , con la ayuda del coautor Jason Dombroskie, gerente de la colección y director del Laboratorio de Diagnóstico de Insectos.
Los investigadores colocaron las muestras en una mesa y liberaron gotas de agua desde alturas de aproximadamente dos metros, mientras registraban el impacto a unos pocos miles de fotogramas por segundo con una cámara de alta velocidad.
Al analizar la membrana, descubrieron que cuando una gota golpea la superficie, se ondula y se extiende. Una capa de cera a nanoescala repele el agua, mientras que golpes de microescala más grandes en la superficie crean agujeros en la gota de lluvia que se extiende.
“Considere los micro-golpes como agujas”, explicó Jung. Si uno dejara caer un globo sobre estas agujas, “entonces este globo se rompería en pedazos más pequeños. Entonces sucede lo mismo cuando la gota de lluvia golpea y se extiende”.
Esta acción demoledora reduce la cantidad de tiempo que la gota está en contacto con la superficie, lo que limita el impulso y disminuye la fuerza de impacto en un ala u hoja delicada. También reduce la transferencia de calor de una gota fría. Esto es importante porque los músculos de un ala de insecto, por ejemplo, necesitan estar lo suficientemente calientes como para volar.
Si tienen más tiempo en contacto con la gota de agua fría, van a perder mucho calor y no pueden volar muy fácilmente, haciéndolos vulnerables a los depredadores. expresó Jung,
Al tener estas estructuras de dos niveles, estos organismos pueden tener una superficie súper hidrófoba.
El estudio fue financiado por la National Science Foundation y el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos.
Mayor información: Seungho Kim, Zixuan Wu, Ehsan Esmaili, Jason J. Dombroskie and Sunghwan Jung. «How a raindrop gets shattered on biological surfaces». National Academy of Sciences, Published: May 14, 2020.