GRANOS DE GEL QUE AVANZAN A TRAVÉS DEL HIELO SÓLIDO
Los hidrogeles son redes de cadenas de polímero empapadas de agua. Pueden hincharse y encogerse de forma espectacular, y están por todas partes: superabsorbentes que empapan derrames, geles cargados de fármacos que liberan su medicamento a un ritmo controlado, robots blandos, ingeniería de tejidos, alimentos, cosméticos… Incluso el cartílago de nuestras articulaciones se comporta como uno.
Todo esto depende de una sola cosa: cómo se mueve el agua a través del gel. La describen tres propiedades: la permeabilidad, la rigidez cuando se comprime el gel y la difusividad poroelástica, que fija la rapidez con que se propaga el hinchamiento. Son notoriamente difíciles de medir, porque el agua avanza a través de los geles con extrema lentitud. Los autores dan un ejemplo: si se empuja agua a través de una membrana de gel de 1 mm con una diferencia de presión de 1 kilopascal, fluye a aproximadamente un nanómetro por segundo. Medir la rigidez lleva unas tres horas por dato en una muestra de 1 mm.
Granos que se mueven a través del hielo
El equipo de Robert Style en la ETH de Zúrich fabricó partículas de gel con un radio de 8 a 14 micrómetros (mucho más pequeñas que un grano de arena fina) a partir de un polímero común, el PEGDA. Las congelaron en una celda delgada entre dos bloques de cobre y las observaron al microscopio.
Primera sorpresa: en el hielo, los granos se encogen. El hielo rodea cada grano, pero no puede entrar en sus diminutos poros. En cambio, extrae agua del gel, igual que lo haría el aire seco. Esto se llama criosucción, y es intensa: la succión aumenta alrededor de 1 megapascal por cada grado bajo cero. Entre 0 y −2 °C, los granos pierden en torno al 20 % de su radio, es decir, la mitad de su volumen.
Segunda sorpresa: cuando un lado de la celda está más caliente que el otro, los granos empiezan a moverse a través del hielo sólido, hacia el lado cálido, a unos 0,1 micrómetros por segundo, hinchándose a medida que avanzan.
El mecanismo: la succión es más fuerte en el lado frío de un grano. El hielo se funde en el lado cálido, el agua fluye a través del gel y se vuelve a congelar en el lado frío. Ese hielo nuevo empuja el grano hacia delante. El experimento de control es claro: las partículas que el agua no puede atravesar no se mueven en absoluto.
Una herramienta de medida
Como la velocidad depende de la facilidad con que el agua fluye a través del gel, medir la velocidad da directamente la permeabilidad. Y como los granos se encogen al enfriarse, un único grano puede medirse con muchos contenidos de agua diferentes.
- La velocidad es proporcional al gradiente de temperatura e independiente del tamaño del grano, como predice la teoría.
- La permeabilidad cae casi un factor 100 cuando la fracción de polímero sube del 20 % al 45 %.
- La rigidez aumenta de alrededor de 1 a unos 30 megapascales en ese mismo intervalo.
- La difusividad se mantiene casi constante, en torno a 1,5 × 10⁻¹⁰ m²/s.
- Los valores concuerdan con las pocas mediciones existentes en geles similares.
El libro de texto se equivoca
La alta resolución permitió al equipo poner a prueba las fórmulas clásicas, que suponen una red de polímero ideal y uniforme. No funcionan: las tendencias medidas son mucho más pronunciadas de lo previsto. La razón probable es que los geles reales son irregulares, con poros grandes y pequeños. Cuando el gel se seca, los poros grandes colapsan primero, lo que lo vuelve mucho menos permeable y mucho más rígido de lo que sería una red ideal.
Una herramienta para geles reales
El método solo necesita volúmenes de picolitros en lugar de microlitros, mide una única muestra con muchos contenidos de agua y proporciona miles de datos por experimento en lugar de uno. Los autores planean extenderlo a fragmentos de geles macroscópicos (incluidos materiales biológicos), a disoluciones de polímeros y a sólidos porosos, y reclaman nuevas teorías sobre cómo se mueve el agua a través de los geles reales.