El dispositivo FACE utiliza una película líquida y tensión superficial para capturar contaminantes, pesticidas y bioaerosoles sin bombas ni baterías.
Redactor: Santiago Duarte
Editor: Eduardo Schmitz
Las enfermedades respiratorias infecciosas y la contaminación atmosférica siguen representando desafíos persistentes para la salud mundial. Sin embargo, muchos de los equipos empleados para detectar amenazas suspendidas en el aire son costosos, consumen energía y resultan difíciles de utilizar fuera de los laboratorios.
Investigadores del Instituto Técnico de Física y Química de la Academia China de Ciencias buscaron una solución en un mecanismo natural observado en las mariposas. El resultado es una tecnología de muestreo aéreo que funciona sin bombas, baterías ni alimentación eléctrica externa y cuyo componente desechable puede costar apenas 0,12 dólares.
El sistema, denominado Film-Rupture Actuated Capillary Enrichment —enriquecimiento capilar accionado por ruptura de película— o FACE, fue presentado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Sus creadores sostienen que ofrece una alternativa más sencilla, económica y accesible que los dispositivos convencionales basados en bombas.
El mecanismo oculto en la trompa de una mariposa
La mayoría de las mariposas bebe néctar mediante una probóscide larga y semejante a una pajilla. Para comprender cómo circula el líquido dentro de esta estructura, los investigadores utilizaron imágenes de rayos X y descubrieron que la probóscide enrollada puede retener en su centro una delgada película líquida suspendida.
A medida que esa película se vuelve más fina, alcanza un punto crítico y se rompe repentinamente. La energía superficial almacenada se libera entonces y empuja el líquido restante hacia el conducto de alimentación. Todo el proceso ocurre en milisegundos, prácticamente no consume energía y depende de la tensión superficial en lugar de músculos o sistemas mecánicos.
La observación llevó al equipo a plantear si la ruptura de una película líquida podía reemplazar una bomba. A partir de esa pregunta construyeron, mediante impresión 3D de bajo costo, un dispositivo biomimético aproximadamente del tamaño de una moneda.
Una red microscópica para capturar amenazas aéreas
El prototipo contiene una película líquida con forma de anillo conectada a diminutos canales capilares que reproducen la vía de transporte de la probóscide. Durante el muestreo, la película queda expuesta al ambiente y actúa como una red microscópica adhesiva.
De esta manera puede atrapar objetivos suspendidos en el aire, incluidos gases contaminantes, partículas de pesticidas y gotas que contienen virus. La capacidad para recolectar materiales tan diversos amplía las posibilidades de la tecnología frente a los problemas de detección de contaminantes invisibles en entornos donde los instrumentos tradicionales son difíciles de instalar.
Una vez concluida la toma de la muestra, una tira de prueba entra en contacto con el dispositivo y provoca la ruptura de la película. La energía superficial impulsa inmediatamente el líquido y todos los materiales capturados a través de los canales capilares hasta la zona de detección.
El procedimiento integra recolección, recuperación, concentración y detección en un único flujo de trabajo. Esto evita las pérdidas de material que pueden producirse en los tubos, las etapas de recuperación y la dilución utilizadas por los equipos convencionales.
Alta eficiencia sin bombas ni baterías
Los ensayos mostraron que las eficiencias de recolección y recuperación se aproximaron al 100 %, mientras que la relación general de dilución fue de solo 1,14. En pruebas destinadas a identificar la proteína de la nucleocápside del SARS-CoV-2, la plataforma FACE alcanzó una sensibilidad cien veces superior a la obtenida con muestreadores de aerosoles convencionales accionados mediante bombas.
El dispositivo también permaneció operativo bajo corrientes de aire intensas. Esta resistencia permite instalarlo en drones agrícolas para recolectar residuos de pesticidas sobre los cultivos, una aplicación que podría ayudar a evaluar con rapidez la exposición aérea y mejorar las decisiones relacionadas con la seguridad en el campo.
El uso de dispositivos aéreos equipados con instrumentos de bajo costo ya está ampliando el monitoreo ambiental mediante drones. FACE añade la posibilidad de capturar y concentrar muestras sin necesitar una fuente eléctrica durante la recolección.
Muestreo cercano de bioaerosoles respiratorios
Otra posible aplicación se encuentra en la vigilancia de enfermedades infecciosas. El dispositivo puede capturar bioaerosoles expulsados por la boca y la nariz y, debido a su reducido peso, colocarse cerca del rostro para realizar un muestreo rápido y sin contacto.
La proximidad permite recoger esas partículas antes de que se dispersen y diluyan en el aire circundante. Esa característica puede resultar especialmente útil para detectar biomarcadores transportados por el aire y desarrollar métodos portátiles de vigilancia sanitaria.
La necesidad de mejorar las redes de medición también alcanza a las partículas contaminantes extremadamente pequeñas. Investigaciones anteriores han mostrado la importancia de rastrear partículas submicrónicas en la atmósfera, cuyo tamaño puede facilitar una penetración más profunda en el sistema respiratorio.
Una alternativa para regiones con pocos recursos
Los investigadores consideran que FACE puede utilizarse en evaluación de enfermedades respiratorias, vigilancia ambiental, seguridad agrícola y salud pública. Al no requerir electricidad ni capacitación especializada, el sistema podría desplegarse en comunidades remotas o regiones con recursos limitados donde no existe infraestructura convencional para tomar muestras del aire.
El trabajo demuestra que un proceso físico cuidadosamente diseñado puede sustituir componentes electromecánicos voluminosos. En este caso, la tensión superficial y la ruptura controlada de una película líquida realizan las funciones de captura, transporte y concentración que normalmente dependen de bombas y equipos auxiliares.
El equipo plantea que la importancia del desarrollo va más allá de un solo dispositivo: el mecanismo descubierto en la probóscide de las mariposas abre una vía para crear tecnologías portátiles que aprovechen fenómenos físicos pasivos y reduzcan tanto el consumo energético como el costo de la vigilancia del aire.
Fuente(s) referenciales
Phys.org — Chinese Academy of Sciences
