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Hace décadas que expertos en ciencia de materiales de todo el mundo tratan de dar respuesta a un curioso fenómeno de la naturaleza: el modo en que las gotas esféricas de rocío se adhieren a los pétalos de rosa sin caer, aunque la flor se encuentre boca abajo. Este fenómeno recibe el nombre de efecto pétalo de rosa. Encontrar la solución a este enigma abre un mundo de posibilidades en la biología y en el desarrollo de nuevos materiales.
La hoja del Lotus y el pétalo de rosa
Hay dos superficies vegetales muy singulares y de gran interés para la ciencia de materiales por su relación con el agua: el haz de la hoja del Lotus (Nelumbo nucifera), símbolo de pureza por sus propiedades autolimpiantes (efecto Lotus) y el haz del pétalo de rosa, por la enorme adherencia de las gotas (efecto pétalo de rosa). Ambas superficies son muy hidrófobas (las gotas de agua sobre ellas son casi esféricas), pero en la hoja del Lotus las gotas resbalan, mientras que al pétalo de rosa se adhieren. Una incógnita de primer orden que no es cuestión de magia, sino de ciencia.
Habitualmente, estos fenómenos se han interpretado considerando únicamente la rugosidad de las superficies y su condición hidrófoba y uniforme. Así ocurría en el artículo de Lin Feng publicado en 2008 en el que dio nombre a este fenómeno. Sin embargo, el enigma no resuelto es cómo la misma justificación científica podía explicar tanto la repelencia de las gotas de agua por las hojas del Lotus, como la adherencia de las gotas al pétalo de rosa. Algo no cuadraba.
La enorme complejidad de las superficies vegetales
Llevamos más de doscientos años intentando comprender cómo “mojan” las superficies, tanto biológicas como sintéticas. Asimismo, desde hace dos siglos se han realizado investigaciones para analizar la composición química y la estructura de las superficies de los órganos vegetales con limitado éxito, debido a su enorme complejidad.
Un problema inherente al estudio de las superficies vegetales es que su estructura puede alterarse al arrancar el órgano de la planta. Los pétalos son muy delicados y su superficie pierde su forma natural poco después de separarse de la flor.
Pétalos naturales en el laboratorio
En un novedoso estudio interdisciplinar entre diferentes centros de investigación españoles se ha conseguido utilizar pétalos naturales para analizar –a la nanoescala– no sólo la morfología (como hasta ahora), sino también las propiedades químicas que determinan su mojado.
En una primera fase, se seleccionó una variedad de rosa cuyos pétalos mantenían adheridas las gotas de agua de manera similar en su cara de arriba (haz) y de abajo (envés). Se consiguió caracterizar ambas caras en pétalos naturales, sometiéndolos a un tratamiento que preservara su estructura.
Con el microscopio electrónico de barrido (SEM) se observó que tanto la textura como la rugosidad de ambas superficies del pétalo (la cara de arriba/haz y abajo/envés) son muy diferentes. Sin embargo, se mojan de modo similar por las gotas de agua. Así que la rugosidad no sirve para explicarlo todo. Había que mirar más profundamente para encontrar la clave del efecto pétalo de rosa.
El microscopio de fuerzas atómicas (AFM) resolvió el misterio
El análisis mediante microscopía de fuerza atómica (AFM) dio la respuesta. El AFM permite analizar la superficie del pétalo a escala muy fina, nanómetros, y esencialmente funciona “palpando” con mucha delicadeza las superficies con una punta extremadamente afilada. Además de percibir la rugosidad, el AFM es capaz de “notar” la composición química. Así se descubrió que la superficie de los pétalos a esa escala tiene rugosidad fractal en el rango entre 5 nm y 20 µm.
Imagen obtenida mediante microscopía de fuerza atómica de un pétalo de rosa. La altura se corresponde con la morfología y muestra la gran rugosidad a escala micro y nanométrica.
También se encontró que a escala nanométrica la superficie del pétalo tiene un teselado irregular, un patrón de figuras que se repite, y que recubre completamente la superficie.
Pero aún hay algo más llamativo, y es que esa tesela íntima está formada por nano-zonas hidrofílicas e hidrofóbicas que se alternan. Y con esto se resuelve el misterio de por qué el pétalo de rosa es hidrófobo pero adherente al agua a la vez. La existencia de pequeñas zonas hidrofílicas entremezcladas con áreas hidrófobas de mayor abundancia en la superficie de los pétalos de rosa permite a las gotas de agua (de naturaleza polar) adherirse, a pesar de que la superficie es hidrófoba por su gran rugosidad y porque la mayoría de la superficie lo es.
Por extraño que parezca, ambas caras del pétalo tienen la misma dimensión fractal y esto explica que las gotas de agua interaccionen de modo parecido, pese a que la rugosidad total es unas diez veces mayor en el haz que en la del envés. Con estos nuevos resultados se explica de forma natural la diferencia entre el efecto Lotus y el efecto pétalo de rosa.
Ambas caras del pétalo tienen la misma dimensión fractal, lo que explica que las gotas de agua interaccionen de modo parecido
Ambas superficies son extremadamente rugosas, pero en el pétalo de rosa el material que lo recubre (la cutícula) presenta un teselado de forma hidrofílica/hidrófoba, mientras que en la hoja del Lotus es homogéneamente hidrófobo, con un recubrimiento extra de nanotubos de ceras depositadas sobre la cutícula, que hace que la gota se desprenda.
Íntimamente, a escala nanométrica, a la que solo permite acceder el microscopio de fuerzas atómicas, es posible apreciar esa diferencia entre estas dos superficies vegetales y entender por qué las gotas de rocío se anclan a la rosa y no a la hoja del Lotus.
Materiales del futuro e implicaciones biológicas
Tras estos resultados, los estudios de mojabilidad de materiales naturales o sintéticos que se desarrollen en un futuro deberían valorar la posible heterogeneidad química de las superficies.
A nivel de las superficies vegetales, estas zonas hidrofílicas son de enorme interés pues pueden tener un papel fundamental para la absorción de agua y solutos depositados sobre las hojas, como aerosoles o pulverizaciones foliares de productos agroquímicos, y también pueden ser puntos vulnerables para el ataque de plagas y enfermedades.
La presencia, relevancia y abundancia de zonas hidrofílicas en las superficies vegetales es actualmente una caja de Pandora que se acaba de abrir y que previsiblemente deparará muchas sorpresas. Desvelar el secreto del pétalo de la rosa, su gran rugosidad y heterogeneidad química, permitirá a la ciencia de materiales y la biomimética desarrollar nuevas superficies de gran utilidad. El campo está abierto.
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*Victoria Fernández es investigadora en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Montes, Forestal y del Medio Natural de la Universidad Politécnica de Madrid y Jaime Colchero es profesor de Física del Estado Sólido en la Universidad de Murcia. Esta nota apareció originalmente en The Conversation y se publica aquí bajo una licencia de Creative Commons.
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