La gota de café que colmó el vaso: un avance en la impresión de materiales bidimensionales

Somos el mono que bebe café, pero también el que, adormilado de buena mañana, falla al llenar su taza con el negro brebaje. Siempre hay algunas gotas que caen directamente sobre la mesa o que resbalan por el exterior de la taza hasta escapar de ella. Antes incluso de que el bebedizo surta efecto, muchos abandonan su piso a las carreras, dejando tras de sí una mesa salpicada que ya limpiarán cuando acabe el día.

Sin embargo, cuando vuelven a sus casas la gota se ha vuelto mancha, y no una mancha cualquiera. Sus bordes parecen mucho más intensos que el centro, donde casi no ha dejado rastro. Esta obra de brujería cotidiana es el efecto del anillo de café y tras él se esconde uno de los problemas a los que se enfrentan las punteras tecnologías de materiales de dos dimensiones. Esta es la historia de cómo una gota de café puso en jaque a la industria.

La mala idea de imprimir en acuarela

El café es una infusión donde pequeñas partículas de semillas tostadas quedan en agua, tiñéndola. Realmente no hay tanta diferencia con otras soluciones más sofisticadas, como la acuarela. En ambos casos, cuando el agua que contienen se seca, las partículas se precipitan, pegándose ya sea a una servilleta o un lienzo. Lo que sucede es que, si nos fijamos, no se deposita de forma uniforme, coloreando por igual toda la superficie que antes estaba húmeda. Los contornos de sus manchas suelen ser más intensas, casi como si estuvieran perfiladas.

Esto mismo es lo que les ocurría a los ingenieros que querían imprimir láminas de materiales cristalinos con grosor de un átomo. Estos materiales bidimensionales cuyos átomos se ordenan siguiendo patrones regulares (eso significa cristalino a grandes rasgos) son algunas de las grandes promesas de la industria tecnológica. Estos materiales muestran ciertas propiedades excepcionales de las que hemos hablado en otros artículos , como su gran conductividad eléctrica, su resistencia, su impermeabilidad o su capacidad para aislar de la temperatura. Algunos ejemplos que puedes haber escuchado son el grafeno, el siliceno o el borofeno.

Una forma de diseñarlos es separando en láminas finas estructuras más bastas. Un ejemplo clásico y casero es el de laminar el grafito de un lapicero garabateando un papel y adhiriéndole cinta adhesiva para desprender las capas más superficiales produciendo grafeno. Por supuesto, esto es poco más que una anécdota, pues la superficie de los trozos de grafeno que podemos conseguir así es ridícula, sin embargo, permite hacerse una idea del proceso de laminado que se utiliza de forma industrial.

No obstante, cuando se trata de diseñar láminas diminutas y de unas medidas muy concretas este proceso no parece ser el óptimo. Para otros materiales, ante esta misma situación se puede usar una impresora de alta precisión. En este caso lo que habría que hacer es propiciar que la disolución utilizada se vaya secando, obligando a las partículas en ella a que precipiten y se ordenen formando una estructura cristalina.

Una forma de hacer esto, como ya hemos visto en otros artículos es haciendo que se evapore el disolvente, en este caso el agua. Y he aquí el problema, porque al secarse, las gotas dejadas por la impresora no cubrían toda la superficie con una sola capa del material, sino que se repartían de forma desigual siguiendo el efecto de los anillos de café. ¿Cómo evitar esto? Porque no solo afecta a estos elegantes materiales de dos dimensiones, sino que trae de cabeza a todos los desarrolladores de materiales electrónicos impresos.

Fronteras inamovibles

Para poder vencer al enemigo, suele ser crucial conocerlo, y en este caso, eso significa entender por qué las manchas de café se perfilan a sí mismas. Y créeme al decir que, aunque sospeches que tener una respuesta sencilla, la ciencia tardó más de el esperado en encontrarla. Principalmente porque la explicación tiene que ver con un fenómeno conocido como tensión superficial.

El agua está compuesta de moléculas formadas por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. Estas tienen la maravillosa propiedad de ser polares, lo cual significa que sus extremos tienen cargas eléctricas opuestas. El lado del oxígeno está cargado negativamente, mientras que la parte donde se encuentran los dos hidrógenos tiene carga positiva. Esto, que puede parecer trivial, hace que las moléculas de agua se sientan atraídas entre sí como si fueran imanes donde la parte negativa de una se acerca a la positiva de otra y viceversa. Si toda la molécula tuviera una carga del mismo signo (totalmente positiva o completamente negativa) una molécula se repelería con sus iguales.

Esta propiedad es uno de los motivos por los que el agua tiene comportamientos tan extraños, pero lo que a nosotros nos compete ahora es la tensión superficial. Esto viene a significar que, dado que las moléculas de agua se atraen entre sí, suelen mostrar cierta resistencia a ser separadas. Pues resulta que la forma en que más juntas están todas es reduciendo su superficie tanto como sea posible, lo cual suele conseguirse adoptando estructuras redondeadas y con un mínimo número de salientes o entrantes, o, dicho con otras palabras: gotas.

De hecho, podemos afinar el concepto un poco más, porque las moléculas de la superficie del agua tienden a atraerse con mucha más fuerza que las del interior. El motivo es que, dentro del líquido, las moléculas experimentan atracciones en todas las direcciones del espacio, porque están rodeadas por otras moléculas. Esto hace que parte de esas fuerzas se anulen entre sí. No obstante, las moléculas de la superficie no tienen este tira y afloja, ya que la mitad de ellas no está rodeada de agua. De este modo, la atracción en ellas funciona como una faja que las aprieta hacia el interior del fluido, tensando su superficie, aunque sea contra la gravedad.

Corrientes de café

De este modo, para hundirnos en el agua tenemos que aportar cierta energía que nos permita vencer la tensión superficial y aumentar así su superficie al sumergirnos en ella. Este es, precisamente, el truco que siguen algunos pequeños insectos para deslizarse sobre el agua. No obstante, en nuestro caso nos interesa por otro motivo. Si miramos una gota de café a ras de mesa veremos que no es plana, sino abombada, precisamente por esta tensión superficial del agua que la compone. Esto hace que se seque mucho más rápido por los bordes, donde tiene menos grosor y está más expuesta al aire.

Si la superficie es resbaladiza o directamente repele el agua, no veremos gran problema, el diámetro de la gota irá reduciéndose notablemente hasta que desaparezca, y habrá dejado una distribución más o menos homogénea de las partículas de café que estaban en ella. Sin embargo, muchas superficies son ligeramente porosas y actúan “anclando” los contornos de esa gota.

Al estar más o menos fija no puede retraerse con tanta facilidad a medida que se evapora, y esta es la clave. Porque la tensión superficial se ve ligeramente vencida ya que, habiendo menos líquido, pero para un mismo diámetro de gota, lo que irá cambiando con la evaporación será, mayormente, la altura de esta. Más que encogerse se achatará, y eso generará corrientes de líquido que viajarán del centro de la gota (donde se evapora menos) hasta la periferia, para suplir en parte el fluido perdido. Al hacer esto, la corriente arrastrará nuevas partículas hacia los bordes, que al haberse ido evaporando habrán aumentado su concentración. De este modo, cuando la gota se seque se habrán depositado muchas más partículas en la periferia que en el centro, produciendo una especie de anillo acafetado. Y ahora que sabemos esto, podemos plantear una solución, o incluso más de una.

La respuesta está en el alcohol

Podríamos decir que un equipo de científicos acaba de encontrar la solución, y posiblemente así se cuente en algunos medios, pero intentaremos ser más precisos: ya había soluciones, pero la nueva es mucho mejor. Conocemos bien algunas formas de alterar la tensión superficial de una gota de tinta y que la impresión salga homogénea. El problema es que los métodos usados hasta ahora para la impresión de materiales cristalinos bidimensionales alteraban notablemente las propiedades del material, lo cual afectaba al resultado casi tanto como el efecto de los anillos de café.

Uno de los trucos era disolver en la tinta más partículas de un calibre menor a las originales, por ejemplo, celulosa. Otra opción era cubrir la gota con sustancias que redujeran la tensión superficial de las moléculas que forman la capa más superficial de la tinta, lo cual recibe el nombre de surfactantes. Y este último, a decir verdad, es un truco tan clásico que incluso nuestros pulmones lo usan para permitir que intercambiemos gases a través de nuestros alveolos.

Lo que propone el nuevo artículo llamado “A general ink formulation of 2D crystals for wafer-scale inkjet printing” y publicado en la revista Science Advances es utilizar un nuevo disolvente como tinta. En lugar de tomar como base el agua utilizan una mezcla de alcohol isopropílico y butan-2-ol (que es otro alcohol). Al tener una tensión superficial menor que el agua sus gotas no son tan abovedadas, sino más planas, casi con la misma altura en toda su superficie. De este modo, se evaporan de forma mucho más homogénea, reduciendo las corrientes y mantenido las partículas correctamente distribuidas. Tras cumplir su función como vehículo para las partículas del material bidimensional, el alcohol se evaporará sin dejar rastro y sin alterar las propiedades del cristal. Y ese es el truco.

Por supuesto, el trabajo ha sido mucho más complicado y las exitosas pruebas dan buena cuenta de ello, ya que los investigadores han conseguido imprimir circuitos más eficientes que los que utilizaban base de agua. Y lo que es mejor, se trata de una técnica escalable a materiales no bidimensionales, abriendo las puertas a una infinidad de aplicaciones en electrónica y nanotecnología. Quién habría dicho que la respuesta a los problemas del café la tendría el alcohol.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Ya existían soluciones para crear tintas que no dejaran el efecto del anillo de café, pero la calidad de los materiales se veía afectado por estas técnicas correctoras.

REFERENCIAS (MLA):

• G. Hu et al. ‘A general ink formulation of 2D crystals for wafer-scale inkjet printing.’ Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.aba5029.