Utilizando técnicas de IRM y RMN, un equipo del laboratorio Navier ha puesto de manifiesto y medido este fenómeno del transporte de agua unida, que también interviene en la regulación de la humedad en edificios que utilizan materiales de origen biológico, o en los procesos de secado de la madera. Los resultados se publican en la revista Physical Review Applied.
Imagen ilustrativa Pixabay
Cuando una planta o un trozo de madera se seca, primero es el agua contenida en los poros del sólido, el llamado agua "libre", la que se evapora. Pero el material también contiene un agua "unida", alojada en las paredes celulares. La masa de esta agua unida puede representar hasta el 30% de la de la madera seca. Hasta ahora, se suponía que esta agua podía desplazarse en el material, pero no se había podido realizar ninguna observación directa de los movimientos del agua unida: solo se medía el transporte de la humedad global -el agua de los poros, el vapor y el agua unida-.
Un equipo del laboratorio Navier (CNRS/ENPC/Universidad Gustave Eiffel) ha realizado un estudio experimental que, por primera vez, ha puesto de manifiesto y caracterizado específicamente el transporte de agua unida en la madera.
La difusión del agua unida en muestras de madera de roble, álamo y abeto se estudió mediante técnicas de IRM y RMN, que permiten visualizar y medir el movimiento de las moléculas de agua. Para ello, las muestras se saturaron con agua unida durante varias semanas en una atmósfera muy húmeda. A continuación, los poros del material se llenaron con aceite de silicona, limitando los posibles movimientos de agua a los del agua unida dentro de la fase sólida.
Mediante la IRM, los investigadores pudieron observar la difusión de las moléculas de agua unida a través de toda la muestra de madera. La RMN permitió cuantificar la cantidad de agua que se desplaza. Se obtuvieron resultados similares con los distintos tipos de madera, a pesar de las variaciones en la estructura del material, e incluso a través de simples apilamientos de fibras de celulosa. De manera contraintuitiva, el proceso de migración del agua unida resulta independiente de la concentración de agua y de la dirección (mientras que la madera es un material anisotrópico).
La conclusión es que el agua unida, en realidad muy móvil, se transporta espontáneamente en la madera bajo el efecto del más mínimo gradiente de concentración de humedad. De hecho, las variaciones del coeficiente de difusión con la temperatura permiten identificar la energía de activación que las moléculas de agua deben superar para difundirse, y que es claramente superior a la energía potencial de la gravedad. Esto explica que el agua unida pueda ascender en un árbol hasta grandes alturas y contribuir así a alimentar las hojas de la copa cuando les falta agua.
Los resultados de este estudio no solo permiten comprender mejor la difusión del agua en las plantas. También se refieren a la regulación de la humedad en edificios que utilizan materiales de origen biológico, los procesos de secado de la madera o la extracción de agua de la celulosa durante la fabricación de papel. En el laboratorio Navier, el estudio continúa, basándose en los resultados inéditos obtenidos, con el objetivo de describir con precisión cómo difunde el agua a través de los diversos materiales de construcción de origen biológico que incluyen fibras vegetales.
Difusión del agua unida en la madera, dentro de la fase sólida que rodea los vacíos, aquí rellenos de aceite (dibujo central). Un proceso activado pone en movimiento las moléculas de agua dentro de las zonas amorfas de la celulosa (abajo). La disminución a lo largo del tiempo del contenido de agua unida se observa mediante IRM (arriba).
© Luoyi Yan - Ph. Coussot/Laboratorio Navier