10 usos locos para superficies completamente sin fricción

"Suponga una superficie completamente sin fricción". ¿Cuántas veces vimos esa declaración en nuestra clase de física de la escuela secundaria? ¿Y cuántas veces nos preguntamos por qué nuestros maestros estaban tan ansiosos de que viviéramos en un mundo de fantasía? Ahora, gracias a un grupo de científicos conocidos como tribólogos , la posibilidad de eliminar la fricción entre dos superficies que interactúan se está convirtiendo rápidamente en una realidad.

También se está haciendo de maneras interesantes. Por ejemplo, un equipo de investigadores de la Universidad de Harvard estudió las hojas de la carnívora planta carnívora, que presenta crestas microscópicas que atrapan una capa de néctar líquido entre ellas. La superficie es tan resbaladiza que los insectos que aterrizan en las hojas se deslizan y caen en bolsas profundas con forma de jarra, donde las enzimas los engullen. De vuelta en el laboratorio, los investigadores duplicaron la pendiente resbaladiza de la planta de jarra creando una red aleatoria de nanopostes repelentes al agua y nanofibras recubiertas de teflón y luego sumergiéndolas en un líquido rico en flúor. El líquido formó una capa entre las nanoestructuras, evitando que el agua y otros materiales fluyan entre ellas y creando una superficie casi antiadherente.

¿Qué pueden hacer las superficies sin fricción por usted? Bueno, todos hemos volteado algunos huevos en sartenes antiadherentes , pero eso es solo la punta de un iceberg súper resbaladizo .

1. Superficies resistentes a bacterias
2. Botellas antiadherentes para condimentos
3. Submarinos antiadherentes
4. Sistema de deshielo para aviones
5. Paredes Antigraffiti
6. Coches autolimpiables
7. Tuberías sin obstrucciones
8. Cascos de barcos antipercebes
9. Chicle antiadherente
10. Trajes de baño de piel de tiburón

Las biopelículas , tapices de microbios como bacterias u hongos que crecen adheridos a un sustrato sólido, causan muchos problemas a los proveedores de atención médica. Según los Institutos Nacionales de Salud, la formación de biopelículas representa el 65 por ciento de todas las infecciones microbianas humanas [fuente: Ames ]. Puede pensar que la limpieza meticulosa es la respuesta al problema, pero las biopelículas se resisten obstinadamente a la limpieza. También tienden a ignorar los efectos de los antibióticos . La mejor solución consiste en evitar que las bacterias se adhieran a un sustrato en primer lugar. ¡Hola, superficie sin fricción!

Una biopelícula comienza su vida cuando unos pocos microorganismos despreocupados cruzan una encimera o un instrumento quirúrgico y se adhieren, ya sea a través de moléculas de adhesión pegajosas o estructuras conocidas como pili . Una vez adherido, este pequeño grupo de células secreta una sustancia polimérica extracelular , o EPS , que actúa como cemento para mantener las células, y su progenie, permanentemente en su lugar. Pero si puede interrumpir el proceso de unión, puede detener la formación de la biopelícula.

Eso es exactamente lo que ha hecho un equipo de científicos de la Universidad de Nottingham en el Reino Unido. Al recubrir las superficies de laboratorio y los dispositivos médicos, como los catéteres, con un polímero de acrilato similar a los que se usan en la industria del plástico, los investigadores pudieron evitar que los pioneros de las bacterias tuvieran un punto de apoyo. El resultado: encontraron una reducción del 97 por ciento en la cobertura de la bacteria Staphylococcus aureus [fuente: Ames ].

En la década de 1970, Heinz creó una campaña publicitaria completa en torno a su ketchup súper espeso y fácil de frotar. La campaña tomó prestado el éxito de Carly Simon "Anticipation" y ensalzó las virtudes de un "sabor que vale la pena esperar".

Aparentemente, la industria de servicio de alimentos no cree que valga la pena esperar por el desperdicio. La salsa de tomate, la mostaza, la mayonesa y la salsa barbacoa que no se pueden sacar de las botellas significan pérdidas de ingresos para los dueños de restaurantes y las familias que intentan estirar sus presupuestos de comestibles. Alrededor de 1 millón de libras (453 592 kilogramos) de salsas y aderezos adheridos se desechan cada año en todo el mundo, según Varanasi Research Group, un equipo de ingenieros mecánicos y nanotecnólogos del Instituto de Tecnología de Massachusetts. Luego está el problema de la gran tapa requerida para sacar los condimentos de las botellas comprimibles. Eliminar la necesidad de una tapa tan grande reduciría la cantidad de plástico que se coloca en una sola botella, lo que podría evitar que 25 000 toneladas de productos a base de petróleo lleguen al flujo de desechos cada año [fuente: LiquiGlide ].

El mismo equipo del MIT, loco por los condimentos, tiene una solución: recubre el interior de las botellas con un material único que evita que el ketchup, la mayonesa o cualquier otro tipo de salsa se adhiera a la superficie. La mayoría de los recubrimientos similares contienen nanolubricantes que quizás no desee ingerir, pero la gente de Cambridge desarrolló un material apto para alimentos que dicen que es completamente insípido y no tóxico. Lo llaman LiquiGlide y lo describen como un "líquido estructurado", rígido como un sólido, pero resbaladizo como un líquido. Unte el interior de una botella de condimento con LiquiGlide y el contenido se deslizará como, bueno, caca de ganso.

Los ingenieros se han obsesionado con el diseño de submarinos durante más de 200 años, pero no han podido eliminar uno de sus problemas más desconcertantes: el arrastre por fricción , una fuerza que se opone al movimiento hacia adelante cuando el agua se adhiere a la superficie del casco exterior. Según algunas estimaciones, esta "fricción de la piel" representa aproximadamente el 65 por ciento del arrastre de los submarinos [fuente: Pike ].

¿Una solución? Un sistema de eyección de polímero. En un sistema de este tipo, el polímero se almacena en un tanque y luego se expulsa a través de una serie de puertos a medida que se mueve el submarino. El polímero fluye sobre la superficie y reduce la interacción de las moléculas de agua con la superficie. Desafortunadamente, el sistema también aumenta el peso de la embarcación.

Ahora los científicos pueden tener un truco mejor: recubrir los submarinos con una superficie antiadherente hecha con una nanotecnología revolucionaria. El material no parece extraordinariamente especial a simple vista. Pero si lo observa bajo un microscopio, verá que contiene pequeñas agujas separadas por solo un par de millonésimas de metro. Las agujas descansan, como una capa de hierba, sobre una superficie de teflón. Cuando el agua golpea el material, encuentra aire atrapado en los espacios entre las agujas. Y esto hace que el material sea extremadamente resbaladizo: un 99 por ciento menos pegajoso que una superficie de teflón normal sin las agujas de tamaño nanométrico [fuente: BBC News ].

Los submarinos revestidos con nanotecnología tendrían mucha menos fricción y requerirían menos combustible para propulsarlos. Y, sí, un impermeable hecho del mismo material te protegería mucho mejor que la gabardina London Fog más cara.

Las alas de los aviones proporcionan una cantidad significativa de sustentación, siempre y cuando mantengan su forma de fábrica. Sin embargo, cubra un ala incluso con una fina capa de nieve o hielo, e interrumpirá su capacidad para mantener un avión en el aire. De hecho, según algunas estimaciones, la acumulación de hielo puede reducir la sustentación hasta en un 25 por ciento, razón por la cual las tripulaciones de tierra y de vuelo se preocupan tanto por el deshielo durante los viajes aéreos en invierno [fuente: Kaydee ].

El método probado y verdadero para eliminar el hielo implica una estrategia de tres pasos. Durante el primer paso, el deshielo, el personal de tierra del aeropuerto rocía una solución caliente de glicol y agua en las alas de un avión. Esto derrite el hielo existente pero hace poco para evitar que se forme hielo nuevo. Lograr esto requiere un paso antihielo y un segundo tipo de fluido, que contiene más glicol y un aditivo adicional para que se adhiera a la superficie del ala durante el despegue. Una vez que un avión alcanza su altitud de crucero, los líquidos se vuelven menos efectivos en la lucha contra las precipitaciones heladas. Los pilotos de aviones resuelven el problema desviando parte del calor de los motores a las tuberías de las alas. Los pilotos de aviones propulsados ​​por hélice confían en botas de goma que se inflan y desinflan para quitar el hielo de las alas y la cola.

Pero, ¿y si pudieras construir un avión con una superficie tan lisa que el hielo no se formara en primer lugar? Varios tipos de nanotecnología pronto pueden hacer que esto sea una realidad. Los científicos de GE Global Research han desarrollado un revestimiento superhidrofóbico (o repelente al agua) nanotexturizado que reduce drásticamente la adherencia del hielo en las superficies de las alas. Y un equipo de la Universidad Estatal de Carolina del Norte está experimentando con un polímero antiadherente que funciona junto con un sustrato elástico. El polímero se aplica al sustrato cuando el material elástico se estira ligeramente. Cuando se alivia la tensión, el sustrato une las moléculas de polímero en una configuración superdensa. Las alas de los aviones recubiertas con polímeros libres de fricción se resisten a ser recubiertas por cualquier cosa, incluso el hielo.

Es poco probable que los grafiteros aparezcan en la lista de los diez fugitivos más buscados del FBI, pero las ciudades y los municipios se toman muy en serio este tipo particular de vandalismo. Chicago gastó 4,1 millones de dólares en 2012 en su programa antigrafiti y, en 2011, eliminó 137 459 instancias de obras de arte pintadas con aerosol de puentes, edificios y letreros [fuente: Novak ]. En Los Ángeles, el problema, y ​​el presupuesto necesario para abordarlo, es aún mayor. Eso es mucho dinero y mano de obra que podría destinarse a otros servicios sociales y programas de la ciudad.

Los equipos de limpieza de grafitis utilizan una variedad de técnicas para eliminar las obras de arte ilícitas: pintura en exceso, eliminación de productos químicos y lavado a presión. Desafortunadamente, algunos de estos métodos pueden producir una monstruosidad mayor que el vandalismo en sí. Ingrese a la pared que repele el graffiti, que cuenta con un material antiadherente .que resiste la adhesión de la pintura o hace que la eliminación sea mucho más fácil porque la pintura no interactúa con la superficie protegida. Los científicos han creado uno de esos materiales para imitar las hojas de la flor de loto. La superficie de estas hojas tiene una intrincada serie de crestas microscópicas recubiertas de cera. Las crestas atrapan el aire entre ellas y, como resultado, el agua que cae sobre la hoja forma gotas individuales que simplemente caen rodando. Una pared o un letrero revestido con dicho material, una nanoestructura construida en el laboratorio pero inspirada en la naturaleza, frustraría a los artistas del graffiti y probablemente haría muy, muy felices a los alcaldes de las ciudades.

A algunas personas les encanta lavar sus autos, pero muchas personas apreciarían tener el aspecto de recién salido de la sala de exposición sin todo el esfuerzo. Y no olvide el impacto ambiental del lavado de autos , que drena las reservas de agua y vierte contaminantes en humedales en peligro de extinción. Ojalá nuestros autos se limpiaran solos.

Gracias a algunos investigadores de la Universidad Tecnológica de Eindhoven en los Países Bajos, podemos estar más cerca de un Prius perpetuamente pulido.. Los científicos no inventaron una nanotecnología completamente nueva. En su lugar, tomaron un producto resistente al agua existente, ya en uso en algunos vehículos, y lo mejoraron. El recubrimiento original funcionó porque venía incrustado con nanocápsulas en su superficie. Esas diminutas cápsulas repelían el agua y contenían agentes de limpieza o gotas de pintura, de modo que cuando se rompían, por ejemplo, con el rasguño de una llave, liberaban su contenido y "curaban" la imperfección. Desafortunadamente, las cápsulas tenían una vida útil limitada. Para extender las propiedades de autolimpieza/curación del recubrimiento, los científicos holandeses han rediseñado su nanoestructura para que las cápsulas residan en tallos. Cuando una combinación de cápsula/tallo se altera, otro tallo subyacente se levanta y se orienta en la superficie para restaurar el acabado de fábrica.

Los autos equipados con este nuevo recubrimiento requerirán poco más que una buena lluvia para eliminar la suciedad y la mugre. Y los excrementos de pájaros que salpican la puerta o el capó pueden ser cosa del pasado.

Retailers aren't the only people who look forward to the day after Thanksgiving . Apparently, plumbers also love Black Friday , which, according to at least one source, is prime time for clogged pipes in the bathroom and kitchen [source: Henkenius]. While that peculiar relationship seems a bit mysterious (although we're sure Uncle Fred has something to do with it), the hows and whys of clogs have been known for years. They begin when a small amount of debris clings to the inside of a pipe and then acts as a nucleus upon which other material collects. For example, if you empty grease into the kitchen sink, grease sticks to the sides of the pipe and food particles stick to the grease. As the obstruction grows over time, water backs up behind the blockage.

In the house of the future, all pipes will be lined with a frictionless coating. This will prevent debris from sticking and should make clogs practically nonexistent. Many commercial enterprises have already invested in similar technology. Chemical manufacturers, for example, commonly use tubing lined with polytetrafluoroethylene, or PTFE. You may recognize PTFE by its more common brand name -- Teflon, the same material coating your nonstick pots and pans. When used in pipes and tubing, PTFE prevents fouling and clogs. It also minimizes fluid resistance, which makes manufacturing environments much more efficient.

Until you can get Teflon-lined pipes in your house, it may be best to send Uncle Fred packing. Or stock up on plungers and chemical drain cleaners.

A menos que sea propietario de una embarcación marítima, probablemente no pierda mucho el sueño con los percebes. Pero para las armadas, los puertos deportivos y los barcos de pesca comercial , es una preocupación seria. Un estudio de 2011 realizado por investigadores de la Academia Naval de los Estados Unidos encontró que la bioincrustación , ese es el término elegante que se usa para describir lo que sucede cuando los pequeños crustáceos de agua salada se adhieren a un casco o hélice y disminuyen la eficiencia de la embarcación, le cuesta a la Marina $ 56 millones por año o $ 1 mil millones durante 15 años [fuente: Schultz ]. Y eso es solo para una clase de naves: los destructores de misiles guiados clase Arleigh Burke .

La mayoría de esos costos implican un proceso de limpieza y pintura que ha existido durante siglos. Primero, el barco se coloca en dique seco, luego los trabajadores raspan los percebes del casco y las palas de la hélice. Finalmente, tratan las superficies expuestas con pintura que contiene estaño o cobre. Los metales en la pintura son tóxicos para las larvas de percebes, lo que les impide asentarse y encontrar un hogar permanente. Pero la pintura se desgasta con el tiempo, lo que significa que los barcos deben limpiarse repetidamente durante su vida útil.

Afortunadamente, los científicos han encontrado lo que puede ser un mejor enfoque. Después de saber que los percebes prefieren las superficies lisas, crearon un material microtexturizado que contiene pequeños picos y valles que varían en tamaño de 1 a 100 micrómetros. Luego expusieron el material a agua de mar llena de percebes para medir la cantidad de unión que se produjo. Descubrieron que cuando la topografía de la textura de la superficie se mantuvo en el rango de 30 a 45 micrómetros, el asentamiento y la fijación de percebes se redujeron en un 92 por ciento en comparación con las superficies lisas [fuente: Berntsson ]. La investigación puede conducir al primer barco antiadherente del futuro que revienta percebes.

Si eres un amante de la goma de mascar, especialmente si vives en la jungla de asfalto de cualquier ciudad importante, mastica esto: cada vez que escupas un trozo de esa sustancia pegajosa en el suelo, terminas pagándolo en forma de una mayor impuestos. Así es, raspar el chicle desechado de las aceras y calles requiere productos químicos, limpiadores a vapor, lavadoras a presión y operadores para hacer el trabajo sucio. En Charleston, Carolina del Sur, la ciudad gasta $200 al mes solo para mantener tres postes de servicios públicos en su distrito City Market libres de tacos rebeldes. Y en Ocean City, Maryland, dos empleados de la ciudad pasan tres semanas cada otoño limpiando las aceras en un área de 14 cuadras cerca del paseo marítimo [fuente: Bryant]. Tampoco es un problema nuevo. En 1939, como parte de la campaña del alcalde La Guardia contra el chicle, se retiraron más de 20 000 fajos de cosas pegajosas de un lugar en Times Square [fuente: Stead ].

Una empresa de polímeros con sede en el Reino Unido, Revolymer, está trabajando para hacer que este problema en particular sea cosa del pasado. Sus científicos han creado un chicle revolucionario, Rev7, que se puede quitar fácilmente de una variedad de superficies, incluidas aceras pavimentadas, alfombras, textiles y ropa. Para darle a Rev7 sus propiedades antiadherentes, la compañía agrega un químico a la base de la goma de mascar que es tanto hidrofílico (amante del agua) como hidrofóbico (que odia el agua o ama el aceite). La afinidad del polímero por el aceite hace que el chicle sea suave y flexible, pero su atracción por el agua significa que el chicle siempre tiene una película de agua a su alrededor, incluso cuando no está en la boca de alguien. Es esta película de agua la que permite que alguien pele el Rev7 de cualquier superficie.

No es que esto te dé una excusa para escupir tu chicle donde y cuando quieras. Miss Manners sugiere que todos los chicles, incluso los que no tienen fricción, se desechen correctamente.

¿Quieres nadar como un tiburón? Entonces hay que tener piel de tiburón . Eso parece imposible, pero si te pones un mono de alta tecnología, como el LZR Racer de Speedo, estás un paso más cerca. El traje utiliza paneles de poliuretano para atrapar el aire y comprimir el cuerpo para aumentar la flotabilidad del traje y reducir la resistencia. Pero eso es solo el comienzo. La tela del LZR Racer está recubierta con nanopartículas hidrofóbicas que realmente repelen el agua y reducen la fricción a lo largo del cuerpo del nadador. Después de que se introdujeran tales monos justo antes de los Juegos Olímpicos de 2000 en Sydney, Australia, los nadadores competitivos rompieron muchos récords mundiales , lo que llevó a su eventual prohibición en los Juegos Olímpicos de Londres 2012 [fuente: Dorey ].

Eventualmente, incluso mejores trajes pueden ser posibles, y pueden parecerse cada vez más a escamas de tiburón reales, que están acanaladas con ranuras longitudinales. Esta superficie rugosa reduce la formación de remolinos a lo largo del cuerpo de un tiburón nadador, lo que les permite deslizarse por el agua como un misil casi sin fricción. Speedo continúa experimentando con texturas inspiradas en tiburones para avanzar en el diseño de sus trajes de baño, incluso si los atletas olímpicos nunca podrán usarlos en una competencia. Sin embargo, eso no debería impedir que te pongas una segunda piel y arrases con la competencia en el grupo local.

Nota del autor: 10 usos locos para superficies completamente 'sin fricción'

Recuerde a Clark W. Griswold de "Vacaciones navideñas" de National Lampoon: "Este es el nuevo lubricante de cocina a base de silicona sin calorías en el que ha estado trabajando mi empresa. Crea una superficie 500 veces más resbaladiza que cualquier aceite de cocina". Clark frota el lubricante en su platillo-trineo y procede a descender por una colina nevada como un imbécil salido del infierno. Estábamos buscando soluciones similares, aunque un poco menos extravagantes, para completar este artículo.

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