Reducción de arrastre en superficies biomiméticas superhidrofóbicas vía impresión 3D

Abstract

La reducción de las fuerzas de arrastre es un desafío permanente para el mundo de la ingeniería, dada la energía que se requiere para transportar fluidos a través de tuberías u objetos a través de fluidos, y dada la fricción que existe entre gotas de fluido y superficies en general. Las superficies superhidrofóbicas presentan una baja adhesión al agua gracias a la presencia de una estructura jerárquica a escala micro y nanométrica, que permite la existencia de espacios de aire en la interfase sólido/agua. Lo anterior genera una drástica reducción en las fuerzas de arrastre y una velocidad de deslizamiento en la capa límite del fluido, en comparación a una superficie hidrofílica. La hoja de arroz presenta excelentes propiedades superhidrofóbicas, debido a su estructura basada en microcanales y nanoestructuras que genera una mojabilidad anisotrópica, motivando su biomimesis. En este trabajo se desarrolló una nueva superficie superhidrofóbica biomimética basada en la topografía de la hoja de arroz, que reduce drásticamente la fricción con gotas de agua gracias a la existencia de aire en la interfase sólido/agua (estado Cassie-Baxter). La nueva superficie se basa en una estructura jerárquica de tres niveles asociados a: los canales impresos en 3D mediante estereolitografía (100 µm de ancho), la rugosidad intrínseca de los filamentos de impresión (10 µm), y un recubrimiento de nanopartículas de TiO2 (22 y 100 nm). Esta estructura presenta superhidrofobicidad con un ángulo de contacto de avanzada máximo de 165° y nula adherencia y/o fricción en pruebas dinámicas con gotas de agua sobre superficies inclinadas. Lo anterior le otorga la propiedad auto-limpiante, que se puede modificar mediante irradiación UV-A. La superficie biomimética presenta una reducción del arrastre, lo que se evidencia por una mayor flotabilidad en objetos impresos en 3D, debido a la menor área de contacto agua/sólido. Se llevan a cabo simulaciones numéricas que muestran que espacios de aire de dimensiones biomiméticas a la hoja de arroz generan una velocidad de deslizamiento, lo que se traduce en una disminución de la fuerza de arrastre ejercida sobre un flujo de agua. Estos resultados muestran que la presencia de aire en la interfase sólido/líquido es fundamental para desarrollar superficies biomiméticas superhidrofóbicas con baja fricción. Lo anterior se puede obtener en una superficie jerárquica impresa en 3D mediante SLA, para futuras aplicaciones en dispositivos autolimpiantes y de reducción de arrastre, entre otras.