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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

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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.

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http://www.pmmh.espci.fr/~jbico/SFP.pdf www.neverwet.com www.kickstarter.com

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