Por qué el agua forma gotas en el teflón y se extiende en el vidrio: científicos hallan la causa molecular

Investigadores del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio han resuelto un enigma de décadas sobre el comportamiento de las gotas de agua en diversas superficies. Un nuevo estudio publicado en la revista Nature Physics explica el movimiento del agua a escala nanométrica a nivel molecular. Este descubrimiento aclara fundamentalmente por qué el agua adquiere una forma esférica en superficies hidrofóbicas como el teflón, mientras que se extiende en una capa fina en superficies hidrófilas como el vidrio. Así lo informa Ixbt.com en su noticia.

Normalmente, la interacción de un líquido con una superficie se explica mediante las leyes de la física clásica. Sin embargo, cuando se trata de gotas extremadamente pequeñas de tamaño nanométrico, las teorías tradicionales no siempre arrojan el resultado esperado. Los físicos no comprendían desde hace tiempo por qué la fuerza de tensión lineal —una fuerza significativa solo a escala nanométrica— cambiaba su signo (dirección) durante el proceso de humectación completa de la superficie.

El papel de los enlaces de hidrógeno

El grupo liderado por el autor principal del estudio, Mohd Moid, realizó simulaciones computacionales utilizando el método de dinámica molecular. Se descubrió que en el agua líquida, los enlaces de hidrógeno forman una estructura tetraédrica local. En ella, cada molécula de agua se une temporalmente con cuatro vecinos. Los científicos observaron cómo el cambio de esta estructura afecta la propagación del agua sobre la superficie.

Según los resultados de la investigación, cuando la superficie se humedece completamente, esta estructura tetraédrica en el límite de la gota se rompe. Precisamente este estado es el que provoca el cambio de signo de la tensión lineal. Es decir, el orden interno entre las propias moléculas de agua resultó ser el factor principal que determina qué tan rápido y ampliamente se extiende el agua por la superficie.

Un factor más importante que la composición química

Lo interesante es que los investigadores también realizaron experimentos sobre una capa de hielo de dos capas en una superficie hidrófila. Se encontró que, aunque las propiedades químicas de la superficie tienden a atraer el agua, dicha capa de hielo no se extiende. Esto significa que la estructura estructural local del agua puede tener una influencia más fuerte que la composición química del material.

Este descubrimiento no tiene solo importancia teórica. Se espera que la comprensión de este delicado equilibrio entre el líquido y la superficie sólida revolucione varias áreas prácticas. En particular, estos datos se utilizarán ampliamente en los sistemas de refrigeración de dispositivos de microelectrónica, el movimiento de fluidos en sistemas biológicos y la creación de una nueva generación de materiales impermeables.

La publicación Nature Physics señala que la estructura de la capa interna del líquido ha sido reconocida como uno de los factores más importantes que determinan el grado de humectación. Ahora, los ingenieros y científicos podrán tener en cuenta, al diseñar superficies, no solo su recubrimiento químico, sino también la disposición geométrica de las moléculas de agua al entrar en contacto con dicha superficie.