Un avance científico basado en la observación directa de microchorros emitidos de forma espontánea por gotas de agua cargadas sobre superficies sin fricción promete transformar tanto la impresión 3D a escala nanométrica como las técnicas de análisis químico. Así lo reportó el portal de divulgación científica Phys.org, destacando el potencial de este hallazgo para la industria.
La investigación, publicada en la prestigiosa revista Proceedings of the National Academy of Sciences, fue liderada por el profesor Dan Daniel, jefe de la Unidad de Gotas y Materia Blanda del instituto japonés Okinawa Institute of Science and Technology (OIST). El equipo presentó evidencia experimental de un proceso de fragmentación explosiva en gotas, provocado únicamente por la evaporación.
Por primera vez, se documentó el fenómeno de fisión de Coulomb —una fragmentación violenta debida a un exceso de carga eléctrica— en gotas depositadas sobre superficies, y no solo en suspensión, como se había teorizado durante más de un siglo. El proceso ocurre cuando se elimina la fricción entre la gota y el material que la soporta.
Para lograr condiciones de fricción nula, los investigadores depositaron gotas milimétricas sobre una superficie plástica recubierta con aceite de silicona. Según Daniel, “el aceite fue esencial”, ya que suprime la fricción y permite que la gota modifique su forma al expandirse y retraerse. Sin esa capa, las gotas se evaporarían de manera uniforme, sin generar chorros ni emisiones explosivas.
Las observaciones revelaron que las gotas pueden expulsar microgotas cargadas en explosiones que duran millonésimas de segundo. Este fenómeno se repite durante la evaporación y puede controlarse ajustando la viscosidad del aceite. El profesor Marcus Lin, primer autor del estudio, exinvestigador postdoctoral de la Unidad de Gotas y Materia y actualmente en la Universidad de Tokio, precisó: “el aceite más viscoso produce microgotas de mayor tamaño”. Esta capacidad de modular el tamaño abre posibilidades para la ingeniería molecular y la fabricación de nanomateriales.
Una teoría de 1882 finalmente comprobada en superficies
El hallazgo retoma una predicción de Lord Rayleigh de 1882, quien describió un límite —conocido como límite de Rayleigh— a partir del cual una gota cargada explota mediante fisión de Coulomb. Aunque durante más de un siglo los experimentos solo validaron sus ideas en gotas suspendidas, este estudio demuestra que la misma física aplica en superficies, siempre que se eliminen las fuerzas de fricción.
Los investigadores identificaron dos umbrales durante la evaporación. El primero provoca el alargamiento de la gota debido a la concentración de carga. El segundo, alcanzado tras un breve retraso, desencadena la expulsión de una microgota desde el extremo donde se acumulan las cargas. Daniel señaló que esto permite “un control más preciso” del proceso de electrospray, una técnica que genera chorros cargados mediante campos eléctricos.
La secuencia se inicia cuando las gotas, al salir de pipetas plásticas, adquieren carga positiva por transferencia en la interfaz de materiales. La evaporación concentra la carga eléctrica hasta el primer umbral, lo que hace que la gota se estire y forme un cono en el lado con mayor densidad de carga. Al superar el segundo umbral, una microgota altamente cargada es lanzada desde el vértice del cono, reduciendo la carga global y reiniciando el ciclo mientras dure la evaporación.
Potencial en nanotecnología y procesos industriales
La manipulación de la viscosidad del recubrimiento permite ajustar el tamaño de las microgotas. Lin subrayó que “la posibilidad de ajustar el tamaño representa una oportunidad para la nanotecnología”.
Los investigadores creen que este descubrimiento podría transformar la electrorradiación por pulverización, utilizada en espectrometría de masas para separar y analizar compuestos químicos. Tradicionalmente, ese proceso requiere una fuente de alto voltaje. Daniel destacó que el estudio “demuestra que la fisión de Coulomb puede producirse exclusivamente por evaporación”, sin necesidad de entrada inicial de alta energía, lo que allana el camino hacia técnicas más sustentables. El mismo principio podría aplicarse a tecnologías de impresión por inyección de tinta o recubrimientos por pulverización.
El trabajo se inició en la King Abdullah University for Science and Technology (KAUST) y se consolidó tras la transferencia del laboratorio de Daniel a OIST y la incorporación de Lin como profesor asistente en la Universidad de Tokio.
Fuente: Infobae