Un equipo de investigación de la Universidad RMIT en Melbourne, Australia, ha desarrollado una nueva tecnología de recubrimiento que utiliza ondas sonoras de alta frecuencia para atomizar líquidos en gotas de aerosol del tamaño de una micra, formando una "capa protectora invisible" uniforme y densa sobre varias superficies finas sin calentar ni dañar el sustrato. Los investigadores aplicaron este método a las hojas de la planta común de interior Pothos (Epipremnum aureum) por primera vez, bloqueando eficazmente los dañinos rayos ultravioleta (UV) sin afectar la fotosíntesis, demostrando vívidamente su capacidad suave pero altamente efectiva para proteger "organismos vivos frágiles".
El núcleo de este trabajo es utilizar tecnología de microfluidos acústicos (acustomicrofluidos) para controlar el precursor líquido de modo que se estire y se "rompa" en la superficie de un pequeño chip que puede generar ondas sonoras de frecuencia ultraalta de aproximadamente 10 MHz, formando una delicada nube de aerosol. Cuando estas gotas vuelan por el aire y se depositan en la superficie de un objetivo, se autoensamblan en un tipo de material estructural orgánico covalente (COF), formando una capa protectora que tiene solo micrones de espesor pero que tiene una estructura continua y funciones bien definidas. Este proceso integrado de "atomización + formación de película" se puede completar a temperatura y presión ambiente al aire libre. No requiere altas temperaturas, reacciones a largo plazo ni ambientes de laboratorio estrictos comúnmente utilizados en los procesos de recubrimiento tradicionales, lo que reduce en gran medida los requisitos de materiales y medio ambiente.
Las estructuras orgánicas covalentes son un tipo de materiales altamente porosos y ordenados por cristales, a menudo descritos como "andamios moleculares" con agujeros a nanoescala. Se pueden diseñar estructuralmente para lograr múltiples funciones, como absorber la luz, capturar sustancias químicas específicas o proteger superficies. Sin embargo, en aplicaciones pasadas, el proceso de construcción de los COF ha sido extremadamente "exquisito": normalmente requiere que los precursores reaccionen a altas temperaturas durante mucho tiempo, el proceso es complejo y las condiciones duras. Es difícil de ampliar y no es adecuado para su uso en sustratos sensibles como hojas de plantas y películas flexibles. El equipo de investigación señaló que en los procesos tradicionales, a menudo es necesario tomar una decisión difícil entre "mantener la estructura ordenada del material" y "evitar daños a la superficie recubierta", y la plataforma de atomización sónica proporciona una nueva forma de resolver este dilema.
En este experimento, los investigadores utilizaron hojas de plantas como objetos de prueba para verificar el rendimiento del recubrimiento en superficies biológicas reales: el recubrimiento de COF puede absorber selectivamente los dañinos rayos ultravioleta al tiempo que permite que la luz visible pase libremente, lo que permite a las plantas continuar con la fotosíntesis. El experimento demostró que durante todo el proceso de recubrimiento, irradiación UV y posterior eliminación del recubrimiento, las hojas no mostraron signos evidentes de daño durante el período de prueba (60 días), destacando el equilibrio entre el efecto protector y la biocompatibilidad de este "spray protector solar sónico". El equipo de investigación considera esto como una "prueba de concepto" y cree que esta plataforma tiene el potencial de promoverse y aplicarse en más interfaces, dispositivos y sistemas biológicos del mundo real.
En términos de ruta técnica, la plataforma de microfluidos acústicos adopta un diseño a nivel de chip, que es de tamaño pequeño y liviano. El principio de funcionamiento es estirar y dividir continuamente el líquido precursor que fluye a través de él en finas gotas estables a través de vibraciones acústicas de frecuencia ultraalta generadas en la superficie del chip. Cuando se depositan sobre una variedad de superficies, estas gotas de niebla permiten una deposición suave y altamente controlada del recubrimiento, incluso en tejidos blandos tan delgados como toallas de papel. Los investigadores enfatizaron que este método combina "fabricación" y "recubrimiento" en un solo paso, no requiere calentamiento adicional ni control ambiental complejo y tiene ventajas obvias en términos de simplificación del proceso y alcance de aplicación.
En términos de perspectivas de aplicación, el equipo de investigación presta más atención a los posibles usos de los recubrimientos de COF en materiales altamente sensibles y dispositivos de nueva generación, incluidos textiles, plásticos, vidrio, dispositivos electrónicos basados en silicio, etc. Muchos productos electrónicos, sensores y materiales de membrana nuevos son extremadamente sensibles a la temperatura y no pueden soportar los procesos de recubrimiento tradicionales. Sin embargo, necesitan urgentemente capas de protección superficial para resistir la luz, la corrosión o los ataques químicos. La tecnología de atomización sónica llena este vacío en el proceso. Los académicos involucrados en el estudio señalaron que este método amplía enormemente la posibilidad de que los COF pasen de materiales de laboratorio a aplicaciones prácticas, abriendo una nueva situación para su implementación en protección ambiental, recubrimientos funcionales y biotecnología.
En términos de escalabilidad, el equipo de investigación cree que esta plataforma acústica a nivel de chip es muy adecuada para la integración con sistemas no tripulados para realizar tareas de pulverización refinadas de gran superficie. Gracias a las características de miniaturización y bajo costo del dispositivo, la plataforma puede instalarse en drones o vehículos autónomos para recubrir con precisión cultivos u hojas de bosques, logrando una "protección solar de punto fijo" a gran escala u otras fumigaciones funcionales en ambientes exteriores. Combinada con las ventajas de la producción a gran escala que aporta la nanofabricación, los investigadores esperan que esta tecnología se implemente a gran escala en futuras aplicaciones de biotecnología e ingeniería ambiental.
Actualmente, esta tecnología ha presentado una solicitud de patente provisional en Australia y se han publicado artículos de investigación relacionados en la revista académica "Science Advances". El equipo de investigación afirmó que evaluarán más a fondo la estabilidad y durabilidad del recubrimiento en condiciones de exposición prolongada en el entorno natural y explorarán sus soluciones prácticas en protección de dispositivos electrónicos, películas protectoras químicas y otras interfaces sensibles. Si bien aún quedan preguntas por responder sobre la resistencia a la intemperie en exteriores, este nuevo método de fabricación y depósito de recubrimientos que se basa en ondas sonoras ha demostrado el potencial de alterar los paradigmas de procesos existentes.