En un nuevo estudio, los investigadores han propulsado nano-gotas de agua a través de una superficie de grafeno a velocidades de hasta 250 km (155 millas) por hora, lo cual, para comparación, es aproximadamente el doble de rápido que un guepardo. Las velocidades ultrarrápidas de las gotas de agua no requieren ninguna bomba, sino que se producen simplemente debido a los patrones geométricos en la superficie de grafeno, que crean diferentes ángulos de contacto en la parte frontal y posterior de las gotas en movimiento para impulsarlas hacia adelante.

Los investigadores, Ermioni Papadopoulou y Petros Koumoutsakos en ETH Zürich, Constantine M. Megaridis en la Universidad de Illinois en Chicago, y Jens H. Walther en ETH Zürich y la Universidad Técnica de Dinamarca, han publicado un artículo sobre las rápidas gotas de agua. En un número reciente de ACS Nano .

“Podemos obtener el transporte de gotas de agua dirigido a muy alta velocidad en la nanoescala, sin gastar ninguna energía, sino simplemente a través del patrón de grafeno”, dijo Koumoutsakos a Phys.org . “Esto puede tener aplicaciones importantes en la nanofabricación y la administración precisa de medicamentos. También brinda por primera vez una explicación cuantitativa simple para el transporte ultrarrápido de agua a nanoescala”.

Este modo de transporte a nano / microescala es muy diferente a cualquier cosa observada en la macroescala. La superficie de grafeno se diseñó estructuralmente para crear gradientes de humectabilidad, que van desde hidrofóbicos a hidrofílicos. Las nano-gotas de agua, cada una compuesta de aproximadamente 1500 moléculas de agua , se colocaron en la superficie. Los diferentes patrones de superficie crearon grandes ángulos de contacto en los dominios hidrófobos y ángulos de contacto más pequeños en los dominios hidrófilos. Las diferencias en los ángulos de contacto en los extremos de avance y retroceso de las gotas de agua ponen en movimiento las gotas y las aceleran hacia adelante.

Una comparación de las velocidades de las nanogotas de agua en el grafeno estampado, un coche de carreras y un guepardo. Crédito: Papadopoulou et al. © 2019 American Chemical Society

Se encuentran mecanismos similares en la naturaleza, como en la superficie del escarabajo del desierto de Namib y la red de vetas de hojas de banano. Estas superficies tienen patrones que resultan en una mejor recolección y transporte de agua.

En experimentos con el grafeno, los investigadores observaron velocidades de gotas de agua del orden de 100 metros por segundo, que son dos órdenes de magnitud más rápidas que las velocidades más altas reportadas para gotas de agua impulsadas por otros métodos, como los gradientes de energía de la superficie. Como se esperaba, las gotas más pequeñas se mueven más rápido que las más grandes debido a la mayor inercia de las gotas y mayor fricción con la superficie .

Después de analizar los mecanismos subyacentes para el transporte de agua, los investigadores obtuvieron una ley de escala y desarrollaron un modelo que se puede usar para predecir las trayectorias de las gotitas. Esta información se puede usar para diseñar futuros dispositivos para aplicaciones potenciales, como la administración de medicamentos de alta eficiencia, la generación de electricidad y la disipación de calor ultrarrápida para sistemas de nano y microescala. Los investigadores planean investigar más a fondo los mecanismos de transporte de agua a alta velocidad en lugares distintos al grafeno.

“Estamos examinando el transporte ultrarrápido de agua en otras nanoestructuras, como los nanotubos de carbono”, dijo Koumoutsakos.