Se calcula que alrededor de un cuarto del producto interior bruto de los países industrializados se pierde por un único problema técnico: el ensuciamiento de las superficies de los intercambiadores de calor por sales y otros minerales disueltos. Este ensuciamiento reduce la eficiencia de múltiples procesos industriales y suele requerir costosas contramedidas, como el pretratamiento del agua. Ahora, los descubrimientos del MIT podrían conducir a una nueva forma de reducir este ensuciamiento y, potencialmente, permitir convertir este proceso nocivo en uno productivo que pueda dar lugar a productos vendibles.

Los hallazgos son el resultado de años de trabajo de los recién graduados del MIT Samantha McBride PhD 20 y Henri-Louis Girard PhD 20 con el profesor de ingeniería mecánica Kripa Varanasi. El trabajo, que se publica hoy en la revista Science Advances, muestra que, debido a una combinación de superficies hidrofóbicas (que repelen el agua) y al calor, las sales disueltas pueden cristalizar de forma que sea fácil eliminarlas de la superficie, en algunos casos sólo con la gravedad.

Cuando 

los investigadores empezaron a estudiar el modo en que las sales cristalizan en este tipo de superficies, descubrieron que la sal precipitada formaba inicialmente una cáscara esférica parcial alrededor de una gota. Inesperadamente, esta cáscara se elevaba repentinamente sobre un conjunto de extensiones en forma de patas que crecían durante la evaporación. El proceso producía repetidamente formas multipatas, que se asemejaban a elefantes y otros animales, e incluso a droides de ciencia ficción. Los investigadores bautizaron estas formaciones como "criaturas de cristal" en el título de su artículo.

Tras muchos experimentos y análisis detallados, el equipo determinó el mecanismo que producía estas protuberancias con forma de pierna. También mostraron cómo las protuberancias variaban en función de la temperatura y la naturaleza de la superficie hidrofóbica, que se producía creando un patrón a nanoescala de crestas bajas. Descubrieron que las estrechas patas que sostienen estas formas parecidas a las de los bichos siguen creciendo hacia arriba desde el fondo, ya que el agua salada fluye hacia abajo a través de las patas en forma de paja y se precipita en el fondo, algo así como un carámbano en crecimiento, sólo que equilibrado en su punta. Al final, las patas son tan largas que no pueden soportar el peso del animal, y la masa de cristal de sal se desprende y cae o es arrastrada.

El trabajo fue motivado por el deseo de limitar o prevenir la formación de incrustaciones en las superficies, incluso en el interior de las tuberías, donde dichas incrustaciones pueden provocar obstrucciones, dice Varanasi. "El experimento de Samantha mostró este interesante efecto en el que el sarro se desprende por sí mismo", dice.

"Estas patas son tubos huecos, y el líquido se canaliza hacia abajo a través de estos tubos. Una vez que llega al fondo y se evapora, forma nuevos cristales que aumentan continuamente la longitud del tubo", dice McBride. "Al final, tienes un contacto muy, muy limitado entre el sustrato y el cristal, hasta el punto de que éstos van a rodar solos".

McBride recuerda que al hacer los experimentos iniciales como parte de su trabajo de tesis doctoral, "definitivamente sospechamos que esta superficie en particular funcionaría bien para eliminar la adhesión del cloruro de sodio, pero no sabíamos que una consecuencia de impedir esa adhesión sería la expulsión de todo" de la superficie.

Una de las claves, descubrió, era la escala exacta de los patrones en la superficie. Aunque muchas escalas de longitud de los patrones pueden dar lugar a superficies hidrofóbicas, sólo los patrones a escala nanométrica consiguen este efecto de autoexpulsión. "Cuando se evapora una gota de agua salada sobre una superficie superhidrofóbica, normalmente lo que ocurre es que esos cristales empiezan a meterse dentro de la textura y simplemente forman un globo, y no acaban de despegarse", dice McBride. "Así que es algo muy específico de la textura y de la escala de longitud que estamos observando aquí lo que permite que se produzca este efecto".

Este proceso de autoexpulsión, basado simplemente en la evaporación de una superficie cuya textura puede producirse fácilmente mediante el grabado, la abrasión o el recubrimiento, podría ser una ventaja para una gran variedad de procesos. Todo tipo de estructuras metálicas en un entorno marino o expuestas al agua de mar sufren incrustaciones y corrosión. Los investigadores afirman que los hallazgos también podrían permitir nuevos métodos para investigar los mecanismos de la descamación y la corrosión.

Los investigadores descubrieron que, variando la cantidad de calor a lo largo de la superficie, es posible incluso conseguir que las formaciones cristalinas se desplacen en una dirección específica. Cuanto más alta sea la temperatura, más rápido se produce el crecimiento y despegue de estas formas, minimizando el tiempo que los cristales bloquean la superficie.

Los intercambiadores de calor se utilizan en una gran variedad de procesos diferentes, y su eficacia se ve muy afectada por cualquier ensuciamiento de la superficie. Según Varanasi, sólo esas pérdidas equivalen a un cuarto del PIB de Estados Unidos y otros países industrializados. Pero la suciedad también es un factor importante en muchos otros ámbitos. Afecta a las tuberías de los sistemas de distribución de agua, a los pozos geotérmicos, a los entornos agrícolas, a las plantas de desalinización y a diversos sistemas de energía renovable y métodos de conversión de dióxido de carbono.

Este método, dice Varanasi, podría incluso permitir el uso de agua salada no tratada en algunos procesos en los que no sería práctico de otro modo, como en algunos sistemas de refrigeración industrial. Además, en algunas situaciones las sales y otros minerales recuperados podrían ser productos comercializables.

Aunque los experimentos iniciales se hicieron con cloruro de sodio ordinario, se espera que otros tipos de sales o minerales produzcan efectos similares, y los investigadores siguen explorando la extensión de este proceso a otros tipos de soluciones.

Dado que los métodos de fabricación de las texturas para producir una superficie hidrofóbica ya están bien desarrollados, dice Varanasi, la aplicación de este proceso a gran escala industrial debería ser relativamente rápida, y podría permitir el uso de agua salada o salobre para sistemas de refrigeración que, de otro modo, requerirían el uso de agua dulce valiosa y a menudo limitada. Por ejemplo, sólo en Estados Unidos se utiliza un billón de galones de agua dulce al año para la refrigeración. Una central eléctrica típica de 600 megavatios consume unos mil millones de galones de agua al año, lo que podría bastar para abastecer a 100.000 personas. Esto significa que el uso de agua de mar para la refrigeración, siempre que sea posible, podría ayudar a aliviar el problema de la escasez de agua dulce.

"Este trabajo muestra un fenómeno notable e interesante", afirma Neelesh Patankar, profesor de ingeniería mecánica de la Universidad Northwestern, que no ha participado en esta investigación. Los hallazgos, dice, "pueden conducir a un enfoque totalmente nuevo para mitigar el ensuciamiento mineral en los procesos industriales". Este trabajo no sólo es interesante desde el punto de vista de la ciencia fundamental, sino que, en mi opinión, también tiene importancia práctica."

El trabajo fue apoyado por Equinor a través de la Iniciativa de Energía del MIT, el Programa de Becas Martin del MIT y la Fundación Nacional de Ciencias.