Los Materiales Hidrofóbicos y Sus Aplicaciones
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7/22/2019 Los Materiales Hidrofbicos y Sus Aplicaciones
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BENEMRITA UNIVERSIDAD AUTNOMA DE PUEBLA
Facultad de Ciencias Fsico Matemticas
DHTIC
Profesor: FAUSTO VARGAS ELAS
Ensayo sobre:
Los materiales hidrofbicos y sus
Aplicaciones ecolgicas
Samuel Hidalgo Caballero
Abril, 2014
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Los materiales hidrofbicos y sus aplicaciones ecolgicas
Objetivo
Exponer la necesidad de la creacin de materiales hidrofbicos en beneficio de un
desarrollo sustentable y sus mltiples aplicaciones para una utilizacin inteligente de los
recursos naturales.
Contenido
1. Conceptos fundamentales
2. Descripcin cualitativa de la superhidrofobicidad
3. Aplicaciones de los materiales hidrofbicos y necesidad de su elaboracin
4. Estadsticas Mundiales: la huella de la humanidad
5. Conclusiones
Hiptesis
Los avances de la ciencia y la ingeniera deben ser aprovechados para optimizar el uso de
recursos naturales que conlleva la mayora de las actividades humanas, notablemente lo
relacionado con la alimentacin, el trasporte y el uso de cualquier material para efectuar
una tarea.
Los materiales que promuevan un aprovechamiento mximo de los envases y cualquier
contenedor de lquidos y geles para uso alimentario, cosmtico, mdico o personal,
permitir una disminucin en el consumo y mayor reutilizacin de los mismos, con lo cual
se disminuir la contaminacin consecuente a su uso. Por otro lado, un recubrimiento
repelente al agua y aceites proteger cualquier tipo de material propenso al deterioro
ambiental o a la corrosin, con ello su mantenimiento ser mnimo y de esta manera
muchos otros materiales se podrn reciclar ms, que los que actualmente lo hacen.
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De lo anterior expuesto, surge una necesidad de la investigacin y la creacin de materiales
hidrofbicos y ole fbicos con el fin de disminuir la huella ecolgica que va dejando la
humanidad. Con el ensayo que se muestra a continuacin se pretende promover una
reflexin general sobre el desarrollo de los materiales hidrofbicos, como una posible
solucin ecolgica.
1. Conceptos Fundamentales
El trmino hidrofobia o hidrofbico proviene del griego hydrs (agua), y fobos (temor). Por
lo tanto algo hidrfobo es aquello que le teme al agua.
En el contexto fisicoqumico, el trmino se aplica a aquellas sustancias que son repelidas
por el agua o que no se pueden mezclar con ella. Ejemplos de hidrfobos son los aceites.
Sin embargo, cuando se trata de superficies, se utiliza el trmino mojabilidad para
determinar la capacidad que posee la superficie de atraer el agua y dejar que se adhieran
varias capas de ella. En trminos ms intuitivos la mojabilidad describe la capacidad que
tiene un lquido para abarcar una superficie y dejar una traza sobre la misma.1
A partir de lo anterior, se introduce un parmetro que nos permite caracterizar la
interaccin entre un lquido y una superficie: el ngulo de contacto. Dicho parmetro puedeevaluarse con ayuda de una gota del lquido en cuestin dispuesta sobre un slido. El
ngulo formado entre la interfaz slido/lquido y la interfaz lquido/vapor, cuyo vrtice est
donde las tres interfaces se encuentran, constituye el ngulo de contacto [fig. 1.1].
1Abdallah, W., Buckley, J. S., Carnegie, A., Edwards, J., Herold, B., Fordham, E., ... & Ziauddin, M. (2007). Los
fundamentos de la mojabilidad. Seminario Schlumberger sobre mojabilidad. Oilfield Review, 19, 48-67.
[fig. 1.1] Medida del ngulo de contacto
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Una superficie en la cual la gota forma un ngulo de contacto mayor que 90, es conocida
como superficie hidrofbica, en cambio, si la superficie es hidroflica, se observar un
ngulo de contacto menor a 90 y tanto la mojabilidad como la adhesividad sern muy
notorias [fig. 1.2].
2. Descripcin cualitativa de la de la superhidrofobicidad
Cuando las nano- rugosidades provocadas por la superficie en contacto pueden desarrollar
ngulos de contacto de 150 o superiores se dice que dicho material es sper hidrofbico.
Algunos vegetales poseen esta caracterstica, como la flor de Lotus [fig. 3.1].2
[fig. 3. 1]
2Burkarter, E. (2010). Desenvolvimento de Superfcies Superhidrofbicas de Politetrafluoretileno.
[fig. 1.2] Mojabilidad y ngulos de contacto
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La sper hidrofobicidad es una propiedad que posee muchas aplicaciones, desde impedir el
deterioro de las superficies en muebles y ropas, como evitar el agrietamiento de las maderas
por efecto de la humedad o desgaste trmico de las superficies de madera expuestas al
ambiente. A su vez, esta propiedad puede preservar muebles que estn en ambientes muy
hmedos e incluso en condiciones menos higinicas como es el bao o la cocina.
La aplicacin de recubrimientos en los azulejos del bao, por ejemplo, permite que resbalen
las gotas de agua y jabn sin permitir que estas lleguen a secarse sobre la superficie,
evitando as la formacin de mohos y de un aspecto de sucio.
3. Aplicaciones del efecto super-hidrofbico y necesidad de su elaboracin
Podemos imaginar el gran potencial de la posible explotacin de tal fenmeno para
aquellos que se dedican a la investigacin y desarrollo en lo concerniente a los materiales,
pero tambin para la industria y en particular para nosotros como consumidores.
Que se trate de limitar la niebla, la escarcha o el depsito de suciedad, o con el fin de
aprovechar al mximo el contenido de los envases alimentarios, al evitar que se queden
residuos en las paredes de los mismos, los materiales hidrofbicos fungirn un papel
importante en el futuro de la humanidad; claro est, si queremos cuidar el deterioro y la
explotacin masiva de los recursos que nos brinda nuestro planeta.
A continuacin se muestran las posibles aplicaciones de estos nuevos materiales:
I) En la investigacin cientfica
Investigadores de varias universidades en Europa3preveen utilizar la planta conocida como
Lotus (salvina molesta) [fig. 3.1], un alga hidrofbica, en el campo de la mecnica defluidos aplicada, colocando micro cscaras sobre la parte externa de la proa y del casco de
los barcos, lo cual permitira reducir la friccin con el agua, mejorando su desempeo y
3
Erbil, H. Y., Demirel, A. L., Avc, Y., & Mert, O. (2003). Transformation of a simple plastic into a
superhydrophobic surface. Science, 299(5611), 1377-1380.
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reduciendo, de esta manera, el consumo de carburante en un 10%. Este descubrimiento
ligado a la biommesis4 se inscribe en lo concerniente al desarrollo sustentable, si su
eficacia se demuestra en distintas condiciones ambientales5, esta idea se podra extrapolar a
todos los revestimientos de los navos.
Por otra parte, un equipo de investigadores que agrupa cientficos provenientes de la
Universidad del Noroeste (USA), de la Universidad Rey Abdulla (Arabia Saudita) y de la
Universidad de Melbourne (Inglaterra), han descubierto una manera de hacer hervir el agua
sin que haya formacin de burbujas. Con ello se evita percutir los utensilios culinarios pues
ya se ha demostrado que la mayora de los deterioros en las cacerolas y otros contenedores
es debido a que las burbujas consecuentes de la ebullicin del agua explotan sobre las
paredes de los mismos, impregnando una gran energa que con el paso del tiempo hace que
dichos artefactos se vuelvan inservibles.
La intervencin de los investigadores anteriormente mencionados se basa en la aplicacin
de una capa de material hidrofbico sobre la superficie de esferas metlicas, elaboradas con
los mismos materiales con los que se hacen las actuales estufas elctricas, enseguida se
calentaron a temperaturas superiores a los 700C, las cuales se pusieron en contacto con el
agua para elevar su temperatura inmediatamente.
4De bio, vida y mimesis, imitar, tambin conocida como biomimtica o biomimetismo, es la ciencia que
estudia a la naturaleza como fuente de inspiracin, nuevas tecnologas innovadoras para resolver aquellos
problemas humanos que la naturaleza ha resuelto.
5Gimnez Enrique, Cabedo Luis, Lagarn Jos Mara. (2008) Nuevos Retos en Materiales Polimricos
Universitat Jaume I, Servicio de Comunicacin y Publicaciones.
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[fig. 3.2] Bolas de acero con y sin recubrimiento hidrofbico
Este descubrimiento tambin podra tener fuertes aplicaciones industriales. El hecho de no
formarse burbujas durante el calentamiento o el enfriamiento brusco podra mejorar las
condiciones de seguridad, por ejemplo de las centrales nucleares, y en las fbricas de
fundicin y manufactura de cuerpos metlicos.
II) En la industria
A pesar de que pocos lo saben, desde hace un ao se ha comercializado pinturas para
fachada autolimpiables, el primer producto comercializado ha sido la pinturaLotusan6. Ms
de 50 mil fachadas de edificios en el mundo han sido revestidas con esta pintura auto-
limpiable. En 2012 se comercializ esta pintura que utiliza una nueva tecnologa que imita
las hojas del "Lotus7", una vez aplicada sobre la superficie. Como el agua no se puede
adherir y asumiendo que la mayora de las suciedades o impurezas son solubles en agua,
entonces dichos residuos no se pueden pegar a las paredes. Se reduce en ms del 80% las
impurezas que comnmente se quedan en la mayora de las fachadas sometidas a la
intemperie, con ello el lavado y el mantenimiento de grandes obras pblicas se vuelve
6Sto Corp. Inc. http://www.stocorp.com
7El gnero Lotus tiene aproximadamente 150 especies distribuidas cosmopolitamente. Lotus es un gnero
de leguminosas y sus miembros estn adaptados a diferentes hbitats, de medios costeros a altas altitudes.
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impresionantemente sencillo, beneficiando as al cuidado del agua, pues para lavar la
fachada de un edificio de ms de 10 pisos se requiere alrededor de 10 000 litros de agua8.
No solamente ocurre esto, la pintura presenta otra gran ventaja al propiciar la ausencia de
agua, no puede crecer musgo ni moho sobre las grietas y espacios que presentan estas
grandes estructuras, con ello la durabilidad de las paredes se multiplica en un factor
superior a 3 veces la estimada sin dicho recubrimiento, pues la porosidad se incrementaba
con el paso del tiempo.
Otra posible utilizacin de los recubrimientos hidrofbicos se encuentra en los vidrios y en
particular sobre los parabrisas para permitir el agua de lluvia "resbale" sin necesidad de
utilizar los ineficaces limpiaparabrisas.
[fig. 3.3] Vidrios sin y con recubrimiento hidrofbicos
III) Para los consumidores
Los espray super hidrofbicos son ahora comercializados al pblico en general, tal como el
de la marca "Never-Wet9", o "Ultra-ever-dry
10" que permiten generar superficies
8Estimacin de flujo de diseo en un edificio
www. catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lic/hammeken_a_am/capitulo3.pdf
9www.neverwet.com
10http://www.ultraeverdrystore.com/
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superhidrofbicas de concreto, de madera, de metal o incluso de varias telas, as como
algunos componentes electrnicos, lo cual permite mantener hermticos los smarthphones,
por ejemplo.Los efectos de estos espray son el hecho de repeler el agua y los aceites, pero
tambin son a su vez anticongelantes, antierosin y auto-limpiables.
El principio de estos espray es de formar, sobre la superficie a la cual es aplicado, nano-
rugosidades que impiden la adhesin de gotas de agua o de otros lquidos.A pesar de su
impresionante efecto, se observa la formacin de un pequeo residuo blanquecino, ms o
menos abundante, dependiendo de la superficie rociada.
Podemos notar tambin la aparicin de ropa super-hidrofbica comercializada por Slice
Kickstarter11
, permitiendo evitar las manchas y los depsitos de grasa sobre los tejidos,
teniendo como objetivo al pblico en general pero tambin aquellos oficios en los cuales ha
sido difcil evitar mancharse, como los mecnicos, por ejemplo. A notar que solamente en
colores claros se han aplicado los espray.
[fig. 3.4] Camiseta hidrofbica
El futuro prometedor de la vestimenta hidrofbica es sin duda el conjunto de actividades
acuticas efectuadas por el hombre, desde los deportes bien conocidos hasta las
expediciones a las fosas marinas y la investigacin de lo que est hecho en su mayora
nuestro planeta: agua. A su vez, como medios impermeables se pueden ocupar para
soportar las temperaturas ms bajas alcanzadas en el ambiente de nuestro planeta, las cuales
oscilan alrededor de 100 C bajo cero.
11https://www.kickstarter.com
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Limitaciones y efectos adversos
El efecto superhidrofbico inducido por espray, tal como el expuesto en la mayora de las
aplicaciones precedentes, es temporal y se requiere una aplicacin peridica dependiendo
del uso y de la superficie sobre la cual se va a aplicar.
Adems, no sabemos an qu forma darle a los materiales y a sus nano-rugosidades para
optimizar la superhidrofobia de los mismos, en funcin de las propiedades que requerimos.
Efectos de los materiales hidrofbicos sobre los suelos12
La repelencia al agua en el suelo, originada por la acumulacin de compuestos orgnicos
hidrofbicos en l, reduce la infiltracin y la disponibilidad de agua para las plantas;
incrementa la escorrenta y la susceptibilidad a la erosin; puede deteriorar su estructura;
genera grandes prdidas en la produccin agropecuaria y forestal y puede generar vas de
flujo preferencial que facilitan el movimiento de agua y de contaminantes a travs del
mismo. Tiene una alta variabilidad y se expresa con mayor intensidad cuando el suelo est
seco. Para manejar este problema se han estudiado alternativas como la mecanizacin del
suelo durante o inmediatamente despus de la lluvia, la mezcla del suelo repelente con
arcilla y/o con materiales terrosos arcillosos del subsuelo, el encalamiento
13
, la fertilizacin,la aplicacin de riego para mantener hmedo el suelo y la adicin de surfactantes
14.
4. Estadsticas Mundiales: la huella de la humanidad
12
Jaramillo, J. D. F. (2006). Repelencia al agua en suelos: Una sntesis. Revista de la Acadmica Colombiana de
Ciencia, 30, 215-232.
13Un encalado o encalamiento es la aplicacin de cal como acabado final de paredes y todo tipo de
paramentos. Tradicionalmente, el proceso consiste en verter la cal en un recipiente con agua para su
apagado, y con esa pasta fluida resultante se encala el muro. Fuente: es.wikipedia.org.
14Los tensoactivos o tensioactivos (tambin llamados surfactantes) son sustancias que influyen por medio
de la tensin superficial en la superficie de contacto entre dos fases (p.ej., dos lquidos insolubles uno en
otro). El trmino surfactante es un anglicismo, tomado de la palabra surfactant, que a su vez es un trmino
que proviene de "Surface active agent" (agente activo de superficie). Fuente: es.wikipedia.org.
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Los desechos generados por los telfonos celulares, computadoras, televisores y otros
productos electrnicos se acumulan en una cantidad de 40 millones de toneladas cada ao.
Se trata de un vector de contaminacin que ha tenido un amplio crecimiento y de mayor
riesgo, tomando en cuenta todos los materiales que se necesitan para poder elaborar estos
aparatos de dicha industria cuyo auge lo tiene en la actualidad.
Recoleccin de Residuos Slidos Urbanos
El 93% de los municipios y delegaciones del pas cuentan con servicios de recoleccin y
disposicin de residuos; de stos, el 6% da tratamiento al menos a una parte de los residuos
recolectados.
En Mxico se recolectan cada da, en promedio, 86 mil 343 toneladas de residuos slidos
urbanos, que son los generados en las viviendas, parques, jardines y edificios pblicos,
principalmente.
En nuevas estimaciones publicadas hoy, la Organizacin Mundial de la Salud (OMS)
informa de que en 2012 unos 7 millones de personas murieronuna de cada ocho del total
de muertes en el mundo- como consecuencia de la exposicin a la contaminacin
atmosfrica. Esta conclusin duplica con creces las estimaciones anteriores y confirma que
la contaminacin atmosfrica constituye en la actualidad, por s sola, el riesgo ambiental
para la salud ms importante del mundo. Si se redujera la contaminacin atmosfrica
podran salvarse millones de vidas15
.
La globalizacin
La idea de llevar el sistema capitalista a una escala global ha permitido que se eliminen las
barreras comerciales entre los distintos pases, y esto desencaden la aparicin de un
mercado mundial, lo que ha provocado un aumento en el consumo de recursos energticos
como consecuencia del transporte de materias primas o de productos manufacturados entre
15Comunicado de Prensa de la OMS 2012 (www.who.int/mediacentre/news/releases/2014/air-pollution/es)
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los distintos pases. Este incremento en el consumo de recursos energticos, principalmente
combustibles fsiles, acrecienta la emisin de sustancias contaminantes, principales
responsables del cambio climtico y del calentamiento global del planeta.
Ante esta situacin y debido a la constante preocupacin surgi el concepto de desarrollo
sostenible; trmino que qued definido en 1987 en un informe de la Comisin Mundial
sobre Medio Ambiente y Desarrollo, como "aquel que satisface las necesidades de la
generacin presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para
satisfacer las suyas propias".
El desarrollo sustentable requiere la promocin de valores que estimulen patrones de
consumo dentro de los lmites de lo ecolgicamente posible, y a los cuales todos los sereshumanos puedan aspirar razonablemente, implica adems que las sociedades satisfagan las
necesidades humanas incrementando el potencial productivo y asegurando oportunidades
equitativas para todos, y no debe poner en peligro los sistemas naturales que constituyen la
base de la vida en la Tierra: la atmsfera, los suelos, las aguas y los seres vivos"16
.
16Marta R. Muoz. (2003). La educacin ambiental hacia el desarrollo sostenible.Fernndez Editores.
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5. Conclusiones
El problema del deterioro del medio ambiente asociado a la globalizacin y la actividad
humana es un tema muy complejo y existen muchas variables que se deberan conocer para
reducirlo, sin embargo para la mayora de las naciones no es de inters desde el punto de
vista econmico. Las grandes empresas transnacionales juegan en contra de la aplicacin de
leyes medioambientales, pero su implantacin es justa y necesaria, con ello se promovera
su conservacin, de lo contrario los que perderemos seremos todos.
No cabe duda que el ser humano ha sobreexplotado los recursos del planeta en muy poco
tiempo despus de haber dejado en claro que nosotros seramos la especie que dominara a
la Tierra. Lo ms alarmante es que el uso excesivo y el abuso de la naturaleza se ha hecho
a lo largo de los ltimos dos siglos, notablemente despus de la revolucin industrial.
Entonces, es evidente que el desarrollo tecnolgico, que en algn momento nos prometa
confort y estabilidad para nuestra vida cotidiana, ahora es la mayor amenaza para acabar
muy pronto con los recursos naturales, siendo el petrleo, posiblemente, el primero en
exterminarse.
Ante esta situacin, urge la migracin a alternativas limpias como fuentes de energa, pero
tambin al uso de materiales que optimicen su funcin para que su mantenimiento sea
mnimo y su vida til se incremente considerablemente. En particular, ante una sociedad
que consume en exceso, dado que los desperdicios tambin se incrementan, es necesario
tener contenedores ms eficientes y fciles de reciclar, as como lo es con muchos
materiales que utilizamos. Por esta razn es indispensable la inversin en conocimiento en
lo concerniente a los materiales hidrofbicos y, en general, todos los frutos de la nueva
ciencia aplicada denominada: Nanotecnologa, como materia prima para las posibles
aplicaciones ingenieriles y de consumo cotidiano, pues, con lo anterior expuesto en este
escrito, se manifiesta su amplia utilidad y necesidad en beneficio no solamente de la
humanidad, sino de nuestro planeta.
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Bibliografa
Libros: Nuevos Retos en Materiales Polimricos Escrito por Enrique Gimnez, Luis Qumica, La Ciencia Central, L. Brown, Prentice Hall
Revistas: Repelencia de Agua en Suelos, Daniel F. Jaramillo, Revista de la Academia
Colombiana de Ciencias, Vol. XXX, NMERO 115-Junio, 2006
Erbil, H. Y., Demirel, A. L., Avc, Y., & Mert, O. (2003). Transformation of a simpleplastic into a superhydrophobic surface. Science, 299(5611), 1377-1380.
Abdallah, W., Buckley, J. S., Carnegie, A., Edwards, J., Herold, B., Fordham, E.,... & Ziauddin, M. (2007). Los fundamentos de la mojabilidad. SeminarioSchlumberger sobre mojabilidad. Oilfield Review, 19, 48-67.
Burkarter, E. (2010). Desenvolvimento de Superfcies Superhidrofbicas dePolitetrafluoretileno.
Pginas en espaol: Nanotecnologa hidrofbica: Aplicaciones presentes y futuras sobre materiales
http://stgo.es/2013/02/nanotecnologia-hidrofobica-materiales/ http://www.bbc.co.uk/mundo/noticias/2013/11/131121_tecnologia_material_imperm
eable.shtml http://www.accefyn.org.co/revista/Vol_30/115/115_215_232.pdf www.wikipedia.com
Pginas extranjeras: http://www.cnrs.fr/publications/imagesdelaphysique/couv-
PDF/IdP2005/37Quere.pdf
http://www.pmmh.espci.fr/~jbico/SFP.pdf www.neverwet.com www.kickstarter.com
http://stgo.es/2013/02/nanotecnologia-hidrofobica-materiales/http://www.bbc.co.uk/mundo/noticias/2013/11/131121_tecnologia_material_impermeable.shtmlhttp://www.bbc.co.uk/mundo/noticias/2013/11/131121_tecnologia_material_impermeable.shtmlhttp://www.bbc.co.uk/mundo/noticias/2013/11/131121_tecnologia_material_impermeable.shtmlhttp://www.cnrs.fr/publications/imagesdelaphysique/couv-PDF/IdP2005/37Quere.pdfhttp://www.cnrs.fr/publications/imagesdelaphysique/couv-PDF/IdP2005/37Quere.pdfhttp://www.cnrs.fr/publications/imagesdelaphysique/couv-PDF/IdP2005/37Quere.pdfhttp://www.cnrs.fr/publications/imagesdelaphysique/couv-PDF/IdP2005/37Quere.pdfhttp://www.cnrs.fr/publications/imagesdelaphysique/couv-PDF/IdP2005/37Quere.pdfhttp://www.bbc.co.uk/mundo/noticias/2013/11/131121_tecnologia_material_impermeable.shtmlhttp://www.bbc.co.uk/mundo/noticias/2013/11/131121_tecnologia_material_impermeable.shtmlhttp://stgo.es/2013/02/nanotecnologia-hidrofobica-materiales/