La gran mayoría de los materiales absorbentes perderán su capacidad de retener agua a medida que aumente la temperatura. Por eso nuestra piel empieza a sudar y por eso las plantas se secan con el calor. Incluso los materiales que están diseñados para absorber la humedad, como los paquetes de gel de sílice en los envases de consumo, perderán sus propiedades de esponja a medida que su entorno se calienta.

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 aumentan.

El material duplica su absorción de agua a medida que las temperaturas suben de 25 a 50 grados Celsius (77 a 122 grados Fahrenheit), informa el equipo.

La resiliencia de PEG proviene de una transformación provocada por el calor. A medida que su entorno se calienta, la microestructura del hidrogel se transforma de un cristal a una fase « amorfa » menos organizada, lo que mejora la capacidad del material para capturar agua.

Basándose en las propiedades únicas de PEG, el equipo desarrolló un modelo que se puede utilizar para diseñar otros materiales absorbentes de agua resistentes al calor. El grupo prevé que algún día dichos materiales podrían convertirse en dispositivos que recolecten la humedad del aire para obtener agua potable, particularmente en las regiones áridas del desierto. Los materiales también podrían incorporarse en bombas de calor y acondicionadores de aire para regular de manera más eficiente la temperatura y la humedad.

« Una gran cantidad del consumo de energía en los edificios se utiliza para la regulación térmica », dice Lenan Zhang, científico investigador del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. « Este material podría ser un componente clave de los sistemas pasivos de control climático ».

Zhang y sus colegas detallan su trabajo en un estudio que aparece hoy en Advanced Materials. Los coautores del MIT incluyen a Xinyue Liu, Bachir El Fil, Carlos Diaz-Marin, Yang Zhong, Xiangyu Li y Evelyn Wang, junto con 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 evaluaban 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 en su mayoría están hechos de agua y una red de polímeros. Pueden expandirse simultáneamente a medida que absorben 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 que se colocó dentro de una cámara de clima controlado. 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 capturar 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 de capturar agua », dice el coautor Xinyue Liu. « Entonces, nos sorprendió mucho PEG porque tiene esta relación inversa ».

De hecho, descubrieron que el PEG se hizo más pesado y siguió absorbiendo agua a medida que los investigadores elevaban la temperatura de la cámara de 25 a 50 grados centígrados.

« Al principio, pensamos que habíamos medido algunos errores y pensamos que esto no podía ser posible », dice Liu. « Después de que verificamos dos veces que todo estaba correcto en el experimento, nos dimos cuenta de que esto realmente estaba sucediendo, y este es el único material conocido que muestra una mayor capacidad de absorción de agua con una temperatura más alta ».

Una captura de suerte

El grupo se concentró en PEG para tratar de identificar el motivo de su desempeño inusual y resistente al calor. Descubrieron que el material tiene un punto de fusión natural de alrededor de 50 grados centígrados, lo que significa que la microestructura normalmente cristalina del hidrogel se descompone por completo y se transforma en una fase amorfa. Zhang dice que esta fase amorfa derretida brinda más oportunidades para que los polímeros en el material se apoderen de cualquier molécula de agua que se mueva rápidamente.

« En la fase de cristal, 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 demostró que la teoría también podría explicar el comportamiento inusual de PEG si los investigadores agregaran un « término faltante » a la teoría. Ese término que faltaba era el efecto de la transformación de fase. Descubrieron que cuando incluían este efecto, la teoría podía predecir el comportamiento de PEG, junto con el de otros hidrogeles que limitan la temperatura.

El descubrimiento de las propiedades únicas de PEG fue en gran parte por casualidad. La temperatura de fusión del material está dentro del rango en el que el agua es un líquido, lo que les permite captar la transformación de fase de PEG y su comportamiento de superremojo resultante. Los otros hidrogeles tienen temperaturas de fusión que se encuentran 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.

« En teoría, otros polímeros podrían exhibir este 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 desarrollado una teoría, planean usarla como modelo para diseñar materiales específicamente para capturar agua a temperaturas más altas.

« Queremos personalizar nuestro diseño para asegurarnos de 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.