Parece lógico pensar que las soluciones poliméricas, como la pintura, se secan más lentamente en un día húmedo que en un día seco. Pero acaba de comprobarse experimentalmente un modelo que explica por qué la tasa de evaporación del agua u otro disolvente en una solución polimérica puede ser independiente de la humedad ambiental. Los experimentos muestran que la evaporación del agua impulsa a las moléculas de polímero hacia la superficie, donde forman una capa densa que termina dificultando la evaporación y protege a la superficie de los efectos de la humedad. Este fenómeno puede afectar a la velocidad con la que se evaporan los aerosoles respiratorios (gotitas que emitimos al respirar, hablar, estornudar o toser) que contienen virus y, por lo tanto, podría ayudar a explicar la dependencia estacional de las infecciones virales.

La evaporación independiente de la humedad ambiente es una ventaja en muchas situaciones. Por ejemplo, para preservar la hidratación del cuerpo la piel humana mantiene una tasa de evaporación casi constante gracias a las membranas celulares cuyas moléculas lipídicas se pueden reconfigurar para ajustar la tasa de evaporación del sudor. Esta reconfiguración es un ejemplo de un proceso activo.

En 2017, Jean-Baptiste Salmon, ingeniero químico de la Universidad de Burdeos en Francia, propuso que la evaporación independiente de la humedad no requiere una respuesta activa [2]. Su modelo sugería que ocurre cada vez que un disolvente se evapora de una solución de macromoléculas (moléculas grandes, como los polímeros), un proceso que ya se sabía que mueve esas macromoléculas hacia la interfaz de secado. Predijo que, una vez que las macromoléculas terminan forman una capa densa, la tasa de evaporación del disolvente permanecerá sin cambios, independientemente de que el entorno esté completamente seco o con una humedad del 100%. El modelo no había podido comprobarse hasta ahora con una disolución polimérica no activa.

El modelo es especialmente interesante porque podría tener implicaciones para la evaporación de los aerosoles que contienen virus respiratorios y también biopolímeros, es decir, macromoléculas. Los modelos de propagación viral ignoran la influencia de estos biopolímeros en la evaporación de las gotas. Como no cabe esperar que estas moléculas participen en un proceso activo, el primer paso es probar el modelo de Salmon usando una disolución polimérica simple, no activa y no biológica, y determinar los rangos de parámetros en los que funciona.

Los investigadores construyeron un aparato para medir las tasas de evaporación de una disolución común de agua y polímero (alcohol polivinílico o PVA) a diferentes humedades. Para ello perforaron cinco agujeros en las paredes de un depósito cilíndrico de plástico y conectaron un tubo capilar de vidrio a cada agujero. Los tubos rectangulares se extendían horizontalmente alejándose del depósito. Los investigadores llenaron el depósito con una solución de PVA. Para garantizar que la evaporación sólo se produjera en los extremos de los tubos, depositaron una capa de aceite en la superficie superior de la solución. El depósito estaba sobre una báscula y todo el conjunto estaba dentro de una caja con humedad controlada. Para la humedad mantenida en valores que oscilaban entre el 25% y el 90%, los investigadores monitorearon la masa de agua perdida del depósito en experimentos que duraron aproximadamente 17 horas cada uno.

En cada experimento la tasa de evaporación permaneció constante durante aproximadamente las tres primeras horas. Después la tasa comenzaba a disminuir, como predecía el modelo de Salmon, porque se acumulaba una capa de polímero en la interfaz disolución-aire.

Sin embargo, el modelo no explica dos observaciones. En primer lugar, la tasa de evaporación constante de la etapa inicial (antes de que se forme una capa de polímero) no disminuía con el aumento de la humedad. En segundo lugar, después de las tres horas iniciales, la tasa de evaporación caía, como se esperaba, pero era independiente de la humedad solo para valores de humedad de hasta el 80%. A humedades más altas, la tasa de evaporación disminuía al aumentar la humedad, lo que es un indicio de que hay otros mecanismos que entran en juego.

El examen de los extremos abiertos de los tubos de vidrio bajo un microscopio proporcionó una pista. En la superficie más externa de la disolución, una capa parecía haberse deformado y despegado de las paredes. Los investigadores proponen que esta capa era una capa de gel que cubría una capa de polímero más delgada y elástica y que la combinación de las dos reducía aún más la capacidad de las moléculas de agua para alcanzar la superficie. El modelo de Salmon no incluye esta capa adicional, pero los cálculos de sus efectos explican ambas discrepancias con el modelo.

Se ha observado recientemente una capa gelatinosa en la interfaz líquido-aire de las gotitas respiratorias, que contienen biopolímeros, por lo que puede ocurrir que existan efectos similares en los aerosoles.

Referencias:

M. Huisman et al. (2023) Evaporation of concentrated polymer solutions is insensitive to relative humidity Phys. Rev. Lett. doi: 10.1103/PhysRevLett.131.248102

J.-B. Salmon et al. (2017) Humidity-insensitive water evaporation from molecular complex fluids Phys. Rev. E doi: 10.1103/PhysRevE.96.032612

R. Berkowitz (2023) Why Humidity Doesn’t Affect Drying Paint Physics 16, 211

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance