Las moléculas se mueven más rápido en un terreno accidentado

21.01.2020 - Bélgica

La aspereza, la presencia de irregularidades en una superficie, se asocia comúnmente a un movimiento más lento y a la pegajosidad. Esto es cierto en diferentes escalas de longitud: a tamaño humano (1 metro), se tarda más tiempo en caminar por un sendero que sube y baja, en lugar de caminar por un camino llano. En el tamaño de objetos más pequeños (1/100 - 1/1000 metros), los italianos utilizan formas de pasta con una superficie rugosa, por ejemplo rigatoni, para hacer mejores superficies adhesivas para la salsa de tomate y el queso. Sin embargo, hasta ahora ningún experimento ha podido comprobar si el comportamiento de las moléculas sigue realmente la misma tendencia observada a escala humana.

Ahora escribiendo en Physical Review Letters, Cristian Rodríguez-Tinoco y un equipo de la Facultad de Ciencias de la Universidad Libre de Bruselas (ULB) liderado por Simone Napolitano muestra que las moléculas grandes se mueven realmente más rápido en la proximidad de superficies más rugosas a escala nanométrica. Sus experimentos demuestran claramente que la creencia común de que las irregularidades de la superficie permiten que las moléculas se adhieran mejor a una superficie es en realidad errónea. Cuando el tamaño de la rugosidad de la superficie, es decir, la distancia media entre las pequeñas colinas y valles presentes en la superficie de un material, se reduce a unos pocos nanómetros (1 nm = una milmillonésima parte de un metro), las moléculas de P4ClS, un tipo de polímero, empiezan a moverse más rápidamente.

Detectar el movimiento molecular no es fácil: las moléculas se mueven rápidamente (incluso hasta un millón y más de pasos por segundo) y sus desplazamientos son demasiado pequeños para ser observados por los microscopios. Realizar tales experimentos en una superficie rugosa es aún más complicado, debido a su carácter desigual y a las dificultades para ajustar el tamaño y la distribución de las irregularidades de la superficie. El equipo de ULB ha sido capaz de formar una superficie rugosa de aluminio, mediante la evaporación del metal de forma controlada. Para medir la rapidez con la que se mueven las moléculas, los investigadores han aplicado campos eléctricos débiles y han registrado la rapidez con la que las moléculas responden al estímulo.

Sorprendentemente, el equipo ha notado que las moléculas presentes cerca de un sustrato rugoso se comportan como si estuvieran rodeadas de menos vecinos, lo que explica por qué se aceleran en lugar de disminuir su velocidad. Esta tendencia está en claro desacuerdo con las predicciones de las simulaciones por computadora, que proponían que las moléculas se mueven más lentamente cerca de una pared rugosa. A diferencia de lo que se considera en las simulaciones, las moléculas de polímero no disfrutan de sentarse cerca de un sustrato áspero. Debido a la forma en que estas moléculas se disponen en el espacio, prefieren alejarse de las asperezas. Las pocas moléculas presentes cerca de las asperezas forman menos contacto con la pared, pueden disfrutar de más volumen libre y, en consecuencia, se mueven más rápidamente.

Al compartir sus resultados con un grupo de teóricos del Dartmouth College (EE.UU.) dirigido por Jane Lipson, el equipo de la ULB ha podido encontrar un fuerte vínculo entre la forma en que las colinas y los valles se organizan en una superficie rugosa y cómo se mueven las moléculas. Los teóricos han demostrado que un cambio muy pequeño en el volumen libre alrededor de una molécula induce un tremendo impulso en la movilidad, y la predicción de sus cálculos están en perfecto acuerdo con los experimentos.

Este trabajo muestra que la forma actual de pensar en las interfaces no es válida. Esta nueva tendencia molecular observada tiene, por tanto, un enorme impacto a nivel de la ciencia fundamental. El trabajo del equipo de la ULB pudo ser explotado en un gran número de aplicaciones. Desde hace casi una década, varios grupos de investigación han demostrado que las propiedades de muchos revestimientos finos - como el flujo, la capacidad de retener o repeler el agua, la velocidad de formación de los cristales - dependen del número de contactos entre la película y su sustrato de soporte. Hasta ahora, para modificar este número era necesario cambiar el tipo de moléculas en la interfaz, lo que a menudo implicaba complejas reacciones químicas. Los resultados muestran que es posible adaptar el rendimiento de los nanomateriales simplemente cambiando la rugosidad de la superficie. Este método, por lo tanto, permite controlar la capa de polímero sin tocarla, ¡como si fuera un control remoto!

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