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La gran mayoría de los materiales absorbentes pierden su capacidad de retener agua a medida que aumenta la temperatura. Por eso nuestra piel empieza a sudar y por eso las plantas se secan por el calor. Incluso los materiales diseñados para absorber la humedad, como los paquetes de gel de sílice en los envases de consumo, pierden sus propiedades esponjosas a medida que se calienta el entorno.
Pero un material parece resistir de manera única los efectos de secado del calor. Los ingenieros del MIT ahora han descubierto que el polietilenglicol (PEG), un hidrogel comúnmente utilizado en cremas cosméticas, recubrimientos industriales y cápsulas farmacéuticas, puede absorber la humedad de la atmósfera incluso cuando las temperaturas se disparan.
El material duplica su absorción de agua cuando las temperaturas suben de 25 a 50 grados Celsius (77 a 122 grados Fahrenheit), informa el equipo.
La resiliencia de PEG se deriva de una transformación provocada por calor. A medida que su entorno se calienta, la microestructura del hidrogel cambia de un cristal a una fase «amorfa» menos organizada, lo que mejora la capacidad del material para atrapar agua.
Basándose en las propiedades únicas de PEG, el equipo desarrolló un modelo que se puede utilizar para diseñar otros materiales resistentes al calor y absorbentes de agua. El grupo prevé que estos materiales algún día podrían convertirse en dispositivos que recolecten la humedad del aire para obtener agua potable, especialmente en las regiones áridas del desierto. Los materiales también podrían incorporarse en bombas de calor y acondicionadores de aire para regular de manera más efectiva la temperatura y la humedad.
“Una enorme cantidad de energía consumida en los edificios se utiliza para la regulación térmica”, explica Lenan Zhang, investigador del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. «Este material podría ser un componente clave de los sistemas de aire acondicionado pasivos».
Zhang y sus colegas detallan su trabajo en un estudio publicado hoy en Materiales avanzados. Los coautores del MIT incluyen a Xinyue Liu, Bachir El Fil, Carlos Diaz-Marin, Yang Zhong, Xiangyu Li y Evelyn Wang, y Shaoting Lin de la Universidad Estatal de Michigan.
contra la intuición
El grupo de Evelyn Wang en el Laboratorio de Investigación de Dispositivos del MIT tiene como objetivo abordar los desafíos de la energía y el agua a través del diseño de nuevos materiales y dispositivos que gestionen el agua y el calor de manera sostenible. El equipo descubrió las propiedades inusuales de PEG mientras evaluaba una gran cantidad de hidrogeles similares por sus capacidades de recolección de agua.
“Estábamos buscando un material de alto rendimiento que pudiera capturar agua para diferentes aplicaciones”, dice Zhang. “Los hidrogeles son un candidato perfecto porque se componen principalmente de agua y una red de polímeros. Pueden expandirse simultáneamente al absorber agua, lo que los hace ideales para regular la humedad y el vapor de agua.
El equipo analizó una variedad de hidrogeles, incluido el PEG, colocando cada material en una escala establecida en una cámara de temperatura controlada. Un material se vuelve más pesado a medida que absorbe más humedad. Al registrar el cambio de peso de un material, los investigadores pudieron rastrear su capacidad para absorber humedad mientras ajustaban la temperatura y la humedad de la cámara.
Lo que observaron fue típico de la mayoría de los materiales: a medida que aumentaba la temperatura, disminuía la capacidad de los hidrogeles para absorber la humedad del aire. La razón de esta dependencia de la temperatura es bien conocida: con el calor viene el movimiento y, a temperaturas más altas, las moléculas de agua se mueven más rápido y, por lo tanto, son más difíciles de contener en la mayoría de los materiales.
«Nuestra intuición nos dice que a temperaturas más altas, los materiales tienden a perder su capacidad para atrapar agua», dice el coautor Xinyue Liu. «Así que nos sorprendió mucho PEG porque tiene esta relación inversa».
De hecho, descubrieron que el PEG se volvió más pesado y siguió absorbiendo agua a medida que los investigadores aumentaban la temperatura de la cámara entre 25 y 50 grados centígrados.
“Al principio, pensamos que habíamos medido algunos errores y pensamos que no podía ser posible”, dice Liu. «Después de verificar dos veces que todo estaba correcto en el experimento, nos dimos cuenta de que esto realmente estaba sucediendo, y es el único material conocido que muestra una mayor capacidad de absorción de agua con una temperatura más alta».
Un golpe de suerte
El grupo se centró en PEG para tratar de identificar el motivo de su rendimiento inusual de resistencia al calor. Descubrieron que el material tiene un punto de fusión natural de alrededor de 50 grados centígrados, lo que significa que la microestructura de hidrogel normalmente cristalina se descompone por completo y se convierte en una fase amorfa. Zhang dice que esta fase amorfa y fundida brinda más oportunidades para que los polímeros del material capturen cualquier molécula de agua que se mueva rápidamente.
«En la fase cristalina, puede haber solo unos pocos sitios en un polímero disponibles para atraer agua y unirse», dice Zhang. “Pero en la fase amorfa, es posible que tenga muchos más sitios disponibles. Por lo tanto, el rendimiento general puede aumentar con el aumento de la temperatura.
Luego, el equipo desarrolló una teoría para predecir cómo los hidrogeles absorben agua y mostró que la teoría también podría explicar el comportamiento inusual de PEG si los investigadores agregaran un «término faltante» a la teoría. Este término que faltaba era el efecto de transformación de fase. Descubrieron que cuando incluían este efecto, la teoría podía predecir el comportamiento del PEG, así como el de otros hidrogeles que limitan la temperatura.
El descubrimiento de las propiedades únicas de PEG fue en gran parte incidental. La temperatura de fusión del material está justo en el rango en el que el agua es un líquido, lo que les permite captar la transformación de fase de PEG y su comportamiento de superapagado resultante. Otros hidrogeles tienen temperaturas de fusión que quedan fuera de este rango. Pero los investigadores sospechan que estos materiales también son capaces de transformaciones de fase similares una vez que alcanzan sus temperaturas de fusión.
“Otros polímeros teóricamente podrían exhibir el mismo comportamiento, si podemos diseñar sus puntos de fusión dentro de un rango de temperatura seleccionado”, dice el miembro del equipo Shaoting Lin.
Ahora que el grupo ha ideado una teoría, planean usarla como modelo para diseñar materiales específicamente para capturar agua a temperaturas más altas.
«Queremos personalizar nuestro diseño para garantizar que un material pueda absorber una cantidad relativamente alta de agua con baja humedad y altas temperaturas», dice Liu. «Entonces podría usarse para la recolección de agua atmosférica, para llevar agua potable a las personas en ambientes cálidos y áridos».
Esta investigación fue financiada, en parte, por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del Departamento de Energía de EE. UU.
