Por qué esta nueva tecnología inspirada en la piel de camello es genial

Un material de dos capas que imita las glándulas sudoríparas de los animales y el pelaje aislante enfría las superficies un 400 % más que los métodos tradicionales

Wetzel araña

Corresponsal diario

Para sobrevivir en el desierto, un camello necesita sudor y piel. Eso es según el ingeniero Jeffery Grossman del Instituto de Tecnología de Massachusetts. "Si no tuviera pelaje, sudaría demasiado rápido y se quedaría sin agua, que es un recurso realmente preciado para el camello", dice Grossman. El ingeniero se preguntó si podría imitar las glándulas sudoríparas y el pelaje aislante del camello superponiendo dos materiales. En una nueva investigación que aparece hoy en la revista Joule, Grossman detalla la nueva tecnología innovadora que podría usarse para mantener los alimentos y los suministros médicos refrigerados sin requerir energía adicional.

Para la capa inferior del sistema inspirado en el camello, Grossman usó hidrogel, una red de polímeros altamente absorbente que está sobrecargada con agua. A medida que el agua se evapora del hidrogel, el líquido enfría la superficie sobre la que se encuentra. La capa superior que creó Grossman estaba compuesta de aerogel, una estructura de sílice hidrofóbica llena de pequeños poros que hacen que el material sea más del 90 por ciento de aire, lo que le valió a la sustancia el título de "el sólido más liviano del mundo". El aerogel actúa como la piel del camello, aislando el hidrogel de la temperatura ambiente más cálida y ralentizando la evaporación del agua para lograr una potencia de enfriamiento sostenida.

Grossman sabía que la capa sobre el hidrogel tenía que ser a la vez aislante y porosa para que el agua pudiera evaporarse a través de ella. Si la capa aislante era demasiado delgada, dice Grossman, es como "tener un corte de pelo en el camello" que no lograría aislar el hidrogel del calor circundante. Si la capa de aerogel era demasiado gruesa o no lo suficientemente porosa, el agua del hidrogel no podría evaporarse y la tecnología perdería su poder de enfriamiento. "Al diseñar el aerogel de la manera correcta, básicamente evitaría que el agua se evapore demasiado rápido, pero no completamente", dice Grossman. Al ralentizar la evaporación, "se obtiene más de cada gota de agua".

Para medir el rendimiento del enfoque de dos capas, Grossman y su equipo colocaron un sensor de calor debajo de las capas y colocaron el sistema en una cámara con temperatura y humedad controladas. El sensor monitoreó la temperatura debajo del hidrogel a medida que el líquido se evaporaba en la cámara de 86 grados Fahrenheit. El equipo comparó su creación inspirada en un camello con una sola capa de hidrogel descubierto. El sistema de dos capas redujo la temperatura cerca de la del hidrogel solo, pero la capa doble mantuvo ese poder de enfriamiento durante mucho más tiempo. Grossman descubrió que los materiales en capas prolongaron el tiempo de enfriamiento en un 400 por ciento.

"No pensé que pudiéramos acercarnos tanto a la misma potencia de enfriamiento y llegar tan lejos", dice Grossman, al describir el período de enfriamiento prolongado. "Es el tipo de cosa que obtienes en la investigación y estás muy feliz porque funciona muy bien". Los científicos han usado hidrogel para enfriar superficies antes, dice Grossman, "pero lo que no se ha hecho es agregar otro material encima que tiene un uso muy específico".

Si bien el hidrogel y el aerogel no son nuevos, combinarlos de esta manera sí lo es, dice Kyoo-Chul Kenneth Park, un ingeniero de la Universidad Northwestern que no participó en el trabajo. "Yo mismo no he pensado en este tipo de combinación de dos materiales, por eso estoy muy emocionado de ver este artículo". Al igual que Grossman, Park busca plantas y animales para inspirar su investigación. Debido a que la creación es translúcida, Park es optimista de que podría usarse para aislar superficies como ventanas.

Grossman cree que la tecnología podría aplicarse a muchas áreas que requieren enfriamiento pasivo, lo que significa que no se necesita energía externa para impulsar el proceso. Las posibles aplicaciones incluyen el aislamiento de almacenamiento de alimentos, suministros médicos y edificios.

Mary Ann Meador, profesora de ingeniería en la Universidad de Akron y excientífica de la NASA que no participó en el trabajo, dice que una barrera para implementar este tipo de tecnología es la necesidad de mantener húmedo el hidrogel. Debido a que el hidrogel obtiene su poder del agua, una vez que el agua se evapora, el material ya no enfría la superficie en la que se encuentra. Si bien los camellos pueden simplemente sudar para reponer la humedad de su piel, para que sea útil, el gel debe recargarse regularmente con agua, un problema que Grossman y su equipo están trabajando para resolver. Si este tipo de sistema de dos capas pudiera revivir con agua de lluvia o condensación, por ejemplo, su poder de enfriamiento podría ser infinito.

El complejo proceso utilizado para fabricar aerogel significa que actualmente es más caro que otras formas de aislamiento en el mercado (1 dólar por centímetro cúbico), aunque Grossman se muestra optimista de que las técnicas de fabricación pueden reducir los costos en el futuro. Mientras que el hidrogel es blando y flexible, el aerogel de sílice tradicional es rígido y frágil. La capa superior firme presenta otro obstáculo en la implementación de esta tecnología en productos como ropa o aislamiento de edificios, ya que el material se desmorona fácilmente, aunque Meador y otros están creando aerogeles flexibles.

A continuación, Grossman está trabajando en la creación de una tercera capa sobre el aerogel que actúa como un interruptor para "encender" y "apagar" el sistema. A ciertas temperaturas, la tercera capa permitiría la evaporación, pero a temperaturas más bajas, cuando no se necesita refrigeración, el interruptor se cerraría, evitando la pérdida innecesaria de agua.

Tal vez una razón por la que nadie pensó antes en combinar hidrogel y aerogel, dice Park, es porque este trabajo combina dos áreas diferentes de la ciencia de los materiales.

"A veces tenemos algunos tipos de barreras mentales o físicas que superar para poder conectar materiales o sistemas muy diferentes. Pero estos autores en realidad podrían superar esa barrera inspirándose en la naturaleza", dice Park. "Creo que esa es la belleza de la investigación bioinspirada".

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Corryn Wetzel | | LEER MÁS

Corryn Wetzel es una periodista científica independiente con sede en Brooklyn. Su trabajo también ha aparecido en la revista Audubon, National Geographic y otros.