Cómo las gotas de agua explotan al evaporarse y por qué ese hallazgo podría cambiar la nanotecnología

La observación directa de microchorros emitidos espontáneamente por gotas de agua cargadas en superficies sin fricción marcó un avance con potencial para transformar tanto la impresión 3D a escala nanométrica como las técnicas de análisis químico, de acuerdo con el portal de divulgación científica Phys.org.

Esta conclusión emerge de una investigación publicada en la revista científica Proceedings of the National Academy of Sciences, donde el equipo dirigido por el profesor Dan Daniel, jefe de la Unidad de Gotas y Materia Blanda del instituto japonés Okinawa Institute of Science and Technology (OIST), aportó evidencia experimental de fragmentación explosiva guiada exclusivamente por evaporación.

Por primera vez, el fenómeno de fisión de Coulomb —una fragmentación violenta de la gota debida al exceso de carga eléctrica— fue documentado, de acuerdo con el profesor, en gotas depositadas sobre superficies, no solo en suspensión. El proceso, tradicionalmente teorizado e identificado en gotas suspendidas, también ocurre cuando se elimina la fricción entre la gota y el material que la soporta.

El experimento requirió crear condiciones de fricción nula: los investigadores depositaron gotas del orden de milímetros sobre una superficie plástica recubierta con aceite de silicona. Según Daniel, “el aceite fue esencial”, ya que elimina la fricción y permite que la gota modifique su forma al expandirse y retraerse. Sin esa capa, las gotas se evaporarían de manera uniforme, sin generar chorros ni emisiones explosivas.

El comportamiento observado mostró que las gotas pueden expulsar microgotas cargadas en explosiones que duran millonésimas de segundo, un fenómeno que se repite durante la evaporación y que puede controlarse mediante el ajuste de la viscosidad del aceite.

El profesor Marcus Lin, primer autor del estudio, exinvestigador postdoctoral de la Unidad de Gotas y Materia y actualmente en la Universidad de Tokio, precisó que “el aceite más viscoso produce microgotas de mayor tamaño”. Esa capacidad de modular el tamaño representa una herramienta para la ingeniería molecular y la fabricación de nanomateriales.

Una predicción de 1882 llega a las superficies

El hallazgo retomó una predicción formulada en 1882 por Lord Rayleigh, pionero de la mecánica de fluidos, quien describió un límite —denominado desde entonces límite de Rayleigh— a partir del cual una gota cargada explota a través de la fisión de Coulomb. Aunque más de un siglo de experimentación validó sus ideas solo en el caso de gotas suspendidas, el estudio demostró que la misma física se aplica en superficies siempre que se eliminen las fuerzas de fricción.

A nivel físico, los investigadores identificaron dos umbrales durante la evaporación: uno provoca el alargamiento de la gota por la concentración de carga, y otro, alcanzado tras un breve retraso temporal, desencadena la expulsión de una microgota desde el extremo donde las cargas se acumulan. Daniel indicó que esto permite “un control más preciso” del proceso de electrospra, una técnica que genera chorros cargados mediante campos eléctricos.

La secuencia comienza cuando las gotas, al salir de pipetas plásticas, adquieren carga positiva por transferencia en la interfaz de materiales. La evaporación concentra la carga eléctrica hasta el primer umbral y origina que la gota se estire hasta formar un cono en el lado con mayor densidad de carga. Al rebasar el segundo umbral, una microgota altamente cargada es lanzada desde el vértice del cono, reduce la carga global y reinicia el ciclo mientras dure la evaporación.

Aplicaciones industriales y potencial sustentable

La manipulación de la viscosidad del recubrimiento permite ajustar el tamaño de las microgotas. Lin subrayó que “la posibilidad de ajustar el tamaño representa una oportunidad para la nanotecnología”.

Los autores plantean que esta observación podría transformar la electrorradiación por pulverización, utilizada en espectrometría de masas para separar y analizar compuestos químicos. Tradicionalmente, ese proceso requiere una fuente de alto voltaje. Daniel destacó que el estudio “demuestra que la fisión de Coulomb puede producirse exclusivamente por evaporación”, sin necesidad de entrada inicial de alta energía, lo que abre un camino hacia técnicas de electrospray más sustentables. El mismo principio podría aplicarse a tecnologías de impresión por inyección de tinta o recubrimientos por pulverización.

El trabajo comenzó en la King Abdullah University for Science and Technology (KAUST) y se consolidó tras la transferencia del laboratorio de Daniel a OIST y la incorporación de Lin como profesor asistente en la Universidad de Tokio.