Las intensas lluvias de los últimos meses han puesto en entredicho la profesionalidad de dos reputados arquitectos españoles. En un caso, las filtraciones de agua sufridas en la zona de ampliación del Museo del Prado realizada por Rafael Moneo afectaron a varias obras de arte; en otro, las que se produjeron en la cubierta diseñada por Calatrava para Bodegas Domecq en Ysios, Rioja alavesa, por lo que le reclaman dos millones de euros para reparaciones.
En relación con la lluvia, pero en otro orden de cosas, recuerdo vagamente que Georges Orwell en "La hija del reverendo" (1935) -novela ambientada en los años veinte y treinta del siglo pasado- hace referencia a la Gran hambruna (1845-1849) que los irlandesas bautizaron An Gorta Mór y los ingleses The Irish Potato Famine. Durante varios años una parte nada desdeñable de la población irlandesa deambuló por el país adelante con la ropa mojada. Consecuencia indirecta de la Gran hambruna, muchas personas perdieron el domicilio desplazándose errabundas en busca de comida o algún trabajo, durmiendo al aire libre mojadas por necesidad. Sabedores que en Irlanda la lluvia es frecuente, se entiende que los andrajos que recubrían a esa pobre gente no tenían tiempo de secar.
No pocas veces el invierno me trajo a las mientes, en largas caminatas bajo la lluvia en las que acababa completamente empapado, la situación de los irlandeses de otrora que cabe asociar a la capacidad de los humanos, al menos los de antes, para adaptarse a casi todo. Tema sin duda merecedor de demorada reflexión en esta época de crisis. Pero como soy poco dado a filosofar prefiero detenerme en los compuestos hidrófobos que tienen, sobra decir, enorme interés práctico.
Efecto lotus
Es bien sabido, en siquiatría la hidrofobia es la manifestación irracional de horror al agua. Asimismo es un síntoma de la fase terminal de la rabia. Pero en el contexto fisicoquímico (tejidos, revestimientos, materiales) la hidrofobia concierne a los compuestos que repelen el agua o que no se pueden mezclar naturalmente con ella. Un líquido hidrófobo muy conocido es el aceite y todo el mundo sabe además que las plumas de los patos son hidrófobas. Sin embargo, siéndonos el agua tan familiar, la microestructura de la superficie de contacto de las gotas con los sólidos no resulta evidente a primera vista.
Según un relato muy popular entre físicos, Wolfgang Pauli (Nobel de física, 1945) viajando en tren por el campo en compañía de Paul Dirac (Nobel de física, 1933) le dijo a este que las ovejas que veían parecía que acababan de ser rapadas. Dirac respondió con su parquedad habitual que, sin pruebas adicionales, solo del lado que daba al tren. Una forma de interpretar el comentario de Dirac es que para tener conocimiento global de un objeto hay que explorar todas sus facetas. Lo cual se aplica, precisamente, a las gotas de agua cuyo contacto con los sólidos hay que estudiarlo a escala nanométrica.
Para que una gota adopte la forma esférica sobre un sólido es necesario que este tenga una superficie particular, que esté recubierta de pequeñas asperidades, microtextura o micropelos. Con precisión de fino observador; ya Plinio el Viejo, en su Naturalis Historia (77) advirtió de la tendencia de las gotas a formar esferas en "la pelusilla de las hojas de los vegetales". Sin ser completamente consciente de ello, Plinio el Viejo se estaba refiriendo al "ángulo de humectación" de la superficie de un líquido al entrar en contacto con un sólido. Un ángulo de contacto pequeño (gota plana) favorece la humectación, el tejido o material se moja bien y cuando el ángulo es nulo la humectación es total, el tejido o material queda empapado siempre y cuando no sea químicamente hidrófobo. Por el contrario, cuando el ángulo de contacto es grande la humectación disminuye. Si las gotas se aproximan a la esfera y el ángulo de contacto a los 180° se observa el "efecto lotus" propio de los materiales "superhidrófobos" pues esa planta es hidrófoba incluso en contacto con la miel.
Efecto Leidenfrost
El interesante efecto lotus no ha pasado desapercibido a físicos y químicos que desde hace años han multiplicado los procedimientos para fabricar superficies caracterizadas por el comportamiento excéntrico de las gotas. Para comprender el fenómeno es aconsejable partir de la situación hidrófoba extrema conocida como "efecto Leidenfrost", o "efecto calefacción", referido a todos los líquidos en general, en la terminología del químico y farmacólogo francés Pierre H. Boutigny.
En su tratado sobre las gotas de agua -De Aquae Communis Nonnullis Qualitatibus Tractatus (1.756)- el fisiólogo alemán Johann Gottlob Leidenfrost mostró la extrema movilidad de los líquidos sobre una placa metálica muy caliente (300°). Contra lo que se espera intuitivamente, las gotas no hierven inmediatamente y permanecen mucho más tiempo en movimiento del que en principio sugiere la temperatura del soporte. Leidenfrost interpretó correctamente el fenómeno al proponer como explicación que una fina película de vapor se interpone entra la placa y la gota manteniéndola en suspensión. De ahí su gran movilidad y lenta evaporación.
Sobra decir que una vez más se cumple la ley de Stigler que afirma que ningún descubrimiento científico lleva el nombre de su primer genitor; el efecto Leidenfrost había sido previamente documentado por Herman Boerhaave en Elementa chemiae (1.724)
Sucede que las gotas que observamos corrientemente, por ejemplo, cuando llueve, no se comportan como las de Leidenfrost sino que en general se pegan algún tiempo a los soportes. Y si se desplazan resbalando sobre el soporte por el efecto de la gravedad lo hacen lentamente, con velocidad que no excede el centímetro por segundo.
La primera etapa para obtener un sólido hidrófobo parte, lógicamente, de materiales químicamente hidrófobos que el agua contacta con un ángulo superior a 90°, por ejemplo, las ceras o el teflón. Algunos sólidos hidrófilos -el vidrio o el acero aunque parezca mentira lo son- pueden transformarse en hidrófobos cuando se les recubre de una película compacta de moléculas carbonadas o fluoradas. Pero una cosa es el comportamiento hidrófobo y otra el superhidrófobo ¿Con moléculas hidrófobas se podría obtener un material de Leidenfrost superhidrófobo cuyo ángulo de contacto fuera 180°? No, con las especies químicas más hidrófobas que se conocen (moléculas fluoradas) el ángulo de contacto no sobrepasa los 120°; las gotas sobre esas superficies se comportan de la misma forma que sobre materiales más banales, plásticos, por ejemplo.
Gotas faquir
La superhidrofobia no se obtiene con moléculas hidrófobas sino erizando una superficie de postes nanométricos, requiriéndose para ello una tecnología muy puntera pues el efecto solo se consigue optimizando la altura y densidad del césped de nanotubos. Es decir, no es suficiente que una superficie sea rugosa para que se produzca el efecto Leidenfrost sino que, paradójicamente, las asperidades pueden favorecer un efecto superadhesivo (efecto Wenzel, 1936) y de empapamiento total dependiendo de la naturaleza del liquido, del soporte y de las asperidades. Esto es, cuando los postes son demasiado cortos o relativamente poco numerosos las gotas se empalan provocando el efecto Wenzel de empapamiento total. Pero cuando se domina el procedimiento se pueden elaborar revestimientos que rechazan hasta el vaho y los aceites.
El lotus y el pato encontraron la solución y el ser humano empieza a descubrir gotas con comportamientos inhabituales, "gotas faquir", así llamadas porque reposan sobre los nanotubos que recubren la superficie del material de Leidenfrost, dejando una capa de aire debajo, tal los faquires sobre un lecho de clavos.
Los científicos buscaron en la naturaleza ejemplos en los que inspirarse. El "Gerris lacustris", insecto vulgarmente conocido como "zapatero", muy común en la superficie de aguas dulces, se desliza apoyándose sobre dos pares de patas. Cada pata posee una almohadilla apical formada por sedas suficientemente densas y largas que consiguen estructurar una minúscula bolsa de aire sobre la superficie del agua (gotas faquir) manteniendo al zapatero en flotación constante. Incluso cuando el insecto se apoya fuertemente el líquido no llega a empalarse completamente en las sedas microscópicas, debido a su altura, que actúan a modo de postes. Las microestructuras artificiales que se procesan hoy día (con pilares "muy altos" que son en realidad nanotubos de carbono) muestran también una fuerte resistencia al empalamiento de las gotas faquir. Es decir, el papel que juega la fina película de vapor en el efecto Leidenfrost, interponiéndose entra las gotas y la placa caliente, lo juega aquí la capa de aire entre los nanotubos, la gota de agua y la superficie del material sobre el que se ha "sembrado" el césped de nanotubos. La conservación en buen estado de uso de los céspedes de nanotubos en materiales de uso corriente es no obstante muy difícil.
Habida cuenta que los efectos inocuos para la salud distan de haber sido probados -los riesgos toxicológicos son, al parecer, reales- sigo siendo bastante reticente a la aplicación indiscriminada de las nanotecnologías, especialmente la producción de nanotubos de carbono, a la aplicación industrial a gran escala. Pero ello no impide ir tomando posiciones. Dado que los tejidos ya no tienen secretos para ellos, alguien debería sugerir a los ejecutivos que dirigen Inditex que diversifiquen las inversiones en la búsqueda de métodos para realizar estructuras hidrófobas en vidrios, cementos y metales.
*Economista y matemático
