Nueva estrategia para evitar el anillo de café y lograr un secado homogéneo

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Hola queridos amigos de la comunidad científica de Hive.

Seguramente han notado que al derramar café o vino tinto sobre su camisa, o el mantel de la mesa, este se seca de una forma inusual, bueno la verdad es poco probable que prestemos atención a como se seca la mancha, ya que lo que más nos preocupa es la mancha en sí, lo cierto del caso es que cuando estos líquidos se secan dejan un patrón característico, la mancha es más clara en el centro y se va oscureciendo hacia los extremos, especialmente alrededor del perímetro, y este fenómeno incluso tiene un nombre para definirlo, se conoce como efecto de “anillo de café”.

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Las manchas de café dejan un patrón característico al secarse. Fuente: @emiliomoron.

El efecto de anillo de café se puede definir como el patrón dejado sobre una superficie por un líquido que contiene partículas en suspensión al secarse, y su nombre se deriva precisamente por el depósito más oscuro que se forma al borde de una mancha de café derramado.

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El nombre de anillo de café se deriva por el borde más oscuro de una mancha de café. Fuente: @emiliomoron.

Mecanismo de flujo

Este fenómeno es realmente un proceso físico complejo, en el que se combinan varios factores, por un lado se debe al flujo capilar, además de múltiples interacciones entre las distintas interfaces entre el líquido, la superficie y el sólido disperso. Digamos que cuando una gota de café cae sobre una superficie, el patrón se forma porque hay una preferencia de evaporación por el líquido al borde de la gota, entonces, la evaporación de este líquido es repuesta con el líquido del centro, el flujo de líquido que se produce del interior al borde acarrea las partículas de cualquier material disperso en el líquido, acumulándolo en el borde de la gota y produciendo este característico patrón.

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El efecto del anillo de café se forma por partículas del sólido disperso que se acarrea al borde de la gota. Fuente: imagen elaborada en powerpoint.

Este fenómeno puede resultar muy útil como técnica para el análisis analítico de sustancias, por ejemplo, científicos han propuesto aprovechar este efecto para analizar las sustancias y contaminantes presentes en una gota de agua de grifo de manera sencilla y económica, analizando el patrón que deja el agua al secarse puede ser utilizado para identificar algunos componentes presentes, como el contenido de solidos disueltos, alcalinidad o iones metálicos. Sin embargo, hay aplicaciones en la que este efecto es indeseable, como en las que se requieren de un secado uniforme, como en el requerido en las técnicas de impresión a gran velocidad, como la flexografía o la inyección de tinta, o en aplicaciones tecnológicas más específicas como la impresión de componentes electrónicos en sustratos flexibles o la fabricación de materiales nanoestructurados mediante el modelado coloidal.

Nuevo método para suprimir este efecto y lograr un secado homogéneo

Entonces, la necesidad de lograr patrones de secado uniforme en ciertas aplicaciones ha impulsado la investigación en diferentes formas de suprimir este efecto, algunas investigaciones apuntan al aumento de la viscosidad mediante la adición de polímeros solubles, también mediante la gelificación del líquido, otras apuntan a modificar el sustrato, haciéndolo más poroso por ejemplo. En otras investigaciones se ha reportado que el control del flujo dentro de la gota genera buenos resultados en la obtención de una película uniforme, por ejemplo al controlar los flujos de Marangoni durante la evaporación para contrarrestar el efecto del flujo capilar.


La imagen muestra la supresión del anillo de café (izquierda) de una mezcla de poliestireno coloidal mediante la adición de fibras de celulosa al 0,01% (centro) y al 0,1% (derecha). Fuente: Wikimedia.org.

Recientemente un equipo de investigadores del Departamento de Ingeniería Química y Biológica de la FAU ha dado con una estrategia que podría ayudar a conseguir un secado uniforme de soluciones que contienen partículas, modificando la superficie de las partículas con cadenas de polímeros para que se repelan eficazmente entre sí.

Primeramente comenzaron preparando una solución de referencia que consistía en una dispersión de partículas de poliestireno, esta solución muestra un marcado patrón de anillo de café, luego comenzaron con sistema modelo compuesto por la dispersión de partículas de poliestireno en una solución de polímero de alcohol polivinilico (PVA), ya que la adición de PVA incrementa la viscosidad del sistema, lo que induce una mejora en la uniformidad del secado en comparación con la solución pura de poliestireno.

Sin embargo, las imágenes de microscopia focal revelaron que en este sistema modelo las partículas seguían acumulándose en el borde, aunque formando un patrón menos pronunciado que el formado por la solución pura. Pero para su sorpresa, al eliminar el polímero libre de la dispersión mediante repetidos ciclos de centrifugado, quedando solo presentes las moléculas de polímero fisisorbidas por las partículas de poliestireno, lograron un patrón de secado totalmente uniforme.

Al parecer, el polímero libre aumenta demasiado la tensión superficial de la gota, cubriendo la interfaz aire/agua, y al eliminar este polímero libre, las partículas dispersas se adsorben en la interfaz aire/agua de la gota, permitiendo un secado más eficiente y homogéneo.

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Al promover la adsorción de partículas en la interfaz aire/agua se logra un secado más homogéneo. Fuente: imagen elaborada en powerpoint.

Es importante destacar la importancia que tiene el desarrollo de métodos de secado de líquidos que contienen partículas dispersas, ya que la idea detrás de este efecto no es lograr que las manchas de café se sequen de manera uniforme, sino para lograr que una gran cantidad de pigmentos puedan emplearse en aplicaciones de impresión rápida, además, de que allana el camino para la fabricación de dispositivos electrónicos en varios sustratos mediante el método de la electrónica impresa, como celdas solares flexibles o biosensores.


Bueno amigos, espero les haya gustado la información sobre este método para lograr un secado homogéneo de líquidos que contienen partículas dispersas, hasta la próxima!


Referencias

Rey, M., Walter, J., Harrer, J. et al. (2022). Versatile strategy for homogeneous drying patterns of dispersed particles. Nature Communications 13, 2840.

Wikipedia.org. Efecto de anillo de café

Xiaoyan Li (2017). Efecto de anillo de café" ayuda a analizar el agua del grifo. Ciencias aplicadas


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interesante entender cómo funciona! ¡gracias por la explicación! Y me gusto tu figura!
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Me alegra que te gustara el contenido amigo, gracias por pasar a leer!

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