Una gran pregunta! Es genial en el sentido de que todos usamos PTFE (PolyTetraFluoroEthylene, el nombre científico de este material, también conocido como “Teflon”, que es la marca que le da DuPont) a las bandejas revestidas por sus propiedades únicas, pero el verdadero mecanismo de su no -la falta de comprensión rara vez se entiende.
Gracias a Victoria Tai y Quora User por sus respuestas tratando de resolver esto. Ciertamente me inspiraron a profundizar más en esta cuestión. Personalmente, trabajo mucho con PTFE en el campo de las superficies superhidrófobas (la respuesta de Jason Xu a: si la tecnología de recubrimiento superhidrófobo ha avanzado hasta el punto en que puedes rociarla de una lata, ¿por qué no la vemos en todo? ¿esta tecnología se está quedando corta?).
Hice una búsqueda rápida y no pude encontrar ninguna referencia muy buena para explicar por qué la comida no se adhiere a las fuentes de teflón. Se debe tener cuidado con el bajo coeficiente de fricción, esto explica por qué la superficie del PTFE es resbaladiza (como señala el fragmento de Victoria), pero no explica por qué los alimentos no se adhieren a ella . La fricción se ocupa de la fuerza asociada entre dos objetos y la mayoría de las veces cuando se usa, es un fenómeno dinámico. La falta de adherencia es más un tema de humectación y adhesión, como por ejemplo cómo el aceite tiende a “adherirse” a las superficies y se vuelve difícil de eliminar.
OK, vuelve al tema. Permítanme presentarles este excelente artículo escrito por Jim Clark, él tiene más de 30 años de experiencia en la enseñanza y actualmente es un escritor que se enfoca en áreas relacionadas con la Química.
las propiedades físicas de PTFE
Y estos son los primeros 3 párrafos de este artículo:
Cuando escribía sobre el PTFE en la página sobre la polimerización de los alquenos, pasé años intentando descubrir por qué el PTFE no se pegaba y fracasé por completo.
Parte de la información que encontré en la web sé que es falsa o ilógica, pero hay una gran cantidad de cosas que, para ser sincero, simplemente no entiendo. Mucho de lo que está escrito está escrito por físicos u otros no químicos que hablan un idioma completamente diferente de mí. También me parece que hay una reticencia a comenzar de nuevo al nivel de las moléculas y explicar qué está sucediendo en términos de interacciones moleculares.
Después de varias discusiones con varias personas conocedoras en los últimos años, lo que sigue es, espero, lógico. Si también es la mejor explicación que se puede dar es otro asunto.
Si está realmente interesado en comprender por qué no se adhiere el teflón, en un nivel fundamental , este es el mejor lugar para comenzar. Este artículo cubre bastantes temas relacionados. Por supuesto, esta no es una publicación revisada por pares, está mezclada con las opiniones subjetivas de este autor y sus propias interpretaciones. De todos modos, está escrito con una historia natural y es fácil de seguir. En general, una gran lectura y le doy mis respetos al Sr. Clark por seguir este tema y publicar este artículo de resumen.
Ahora, volvamos a la pregunta original: ” ¿Por qué la comida no se adhiere a una bandeja de teflón? ”
A menudo es posible explicar lo mismo con diferentes enfoques. En este intento, haré todo lo posible para no solapar demasiado con el artículo del Sr. Jim Clark. Planeo enfocarme en las áreas con las que estoy más familiarizado. Construí esta historia con mucha información del artículo del Sr. Clark.
Lo primero, por supuesto, es mirar la estructura molecular de este material. Entre las muchas imágenes que encontré, esta me gusta más:
Me gusta cómo tiene las 3 demostraciones (de izquierda a derecha: modelo de relleno de espacio, fórmula de estructura química y modelo de bola y stick). Da una perspectiva muy clara de lo que realmente es el PTFE y cómo se ve, permítanme completar el último formato de polímero común para presentar este material:
Ahora, me gustaría comparar esto con hidrocarburos. Son excelentes ejemplos para esta comparación, porque: 1) son muy comunes, conocemos muy bien sus propiedades y 2) son estructuralmente idénticos al PTFE, con la excepción de que todos los átomos de hidrógeno se reemplazan por átomos de flúor:
Una cosa que aprendí del artículo de Clark es que las cadenas de PTFE son rectas (su artículo incluye alguna explicación para este hecho). Para mí, eso tiene perfecto sentido, las cadenas de las moléculas son “más rígidas”, esto resulta en su naturaleza de forma sólida en lugar de los líquidos generalmente formados por estos alcanos (hidrocarburos).
Para mí, esto también explica el alto punto de fusión del PTFE. Los espaguetis se han utilizado para modelar polímeros, son cadenas de moléculas largas y blandas que se enredan juntas, lo que da como resultado este sólido suave y resistente:
Ahora, imagina estos espaguetis que ya no son blandos y curvados, sino que se vuelven rígidos y rectos. Es algo así como espagueti crudo, solo que las moléculas son mucho más fuertes, no se fracturan como fideos secos cuando los dobla, imagine un montón de barras de metal que se enredan juntas:
Para mí, esto es lo que contribuye al inusual alto punto de fusión del PTFE: las moléculas rígidas de cadena larga conducen a una estructura mucho más estable. Estos fideos secos están interconectados entre sí, lo que da como resultado una forma estable, a diferencia del comportamiento típico de caucho polimérico.
Esta estructura también concuerda con la explicación de la acción deslizante en el artículo de Clark, cómo se fractura la superficie de PTFE, imagine estos extremos filosos / rígidos que sobresalen, se fracturan fácilmente y los pedazos / polvos rotos se comportan como lubricantes. (No es sorprendente que el polvo de PTFE sea una opción común para el lubricante seco: lubricante seco)
De acuerdo, con esta información básica de la estructura de PTFE, avancemos para pensar sobre sus propiedades no pegajosas. Comencemos con el modelo de barra rígida que discutimos anteriormente, tiene otro fuerte beneficio adicional: para aumentar la rugosidad de la superficie.
Voy a usar hojas de loto como ejemplo de nuevo:
(Esta imagen en particular no es de hojas de loto, pero entiendes, elegí esta imagen por el dibujo esquemático de la derecha)
Este fenómeno hecho por la madre naturaleza que hace que el agua no se “pegue” a las hojas de loto se llama superhidrofobicidad. Logran esto teniendo una superficie áspera, observando el dibujo de la derecha, las hojas de loto realmente tienen estas nanofeaturas que se pegan hacia arriba, para producir esta alta rugosidad.
Así es como estas cadenas de PTFE que sobresalen, encontré esta imagen, que es muy interesante:
El nombre del artículo es “Estructuras artificiales de hojas de loto a partir del ensamblaje de nanotubos de carbono y sus aplicaciones en textiles hidrofóbicos”. Este trabajo utiliza esencialmente nanotubos de carbono incrustados en una resina para hacer superficies superhidrófobas. Sabemos que los nanotubos de carbono son rectos y rígidos, suena familiar? Muy similar a nuestro modelo de PTFE aquí (ver la figura inferior b).
OK, ahora volviendo a la pegajosidad: el siguiente concepto que uso aquí es Adhesion (una gran lectura wiki), que trata de “las fuerzas intermoleculares responsables de la función de varios tipos de pegatinas y cinta adhesiva “.
La adherencia es un tema muy complejo, y generalmente es el resultado de múltiples mecanismos concurrentes. Mi objetivo aquí es utilizar términos y conceptos fáciles de entender.
Siempre encuentro Leyes de atracción como una herramienta muy intuitiva para entender varios fenómenos relacionados con la adhesión. Platón descubrió que “los gustos tienden a gustar” hace 2000 años y es muy cierto (en física clásica, al menos). Puedes pensar que el agua le gusta el agua, el petróleo le gusta el petróleo, pero el agua y el petróleo no se gustan entre sí.
Su comida (lo que va en las ollas de cocina) consiste en diferentes productos químicos diferentes. Piensa en toda el agua, el aceite, las hojas, la carne, las semillas, los cristales, los polvos, los condimentos, etc. ¡Para colmo, los calientas o los presurizas durante la cocción! Entonces, según las Leyes de la atracción, realmente necesitas un material extremadamente exótico, que no contenga nada en los alimentos, de lo contrario, esas cosas se verán atraídas y adheridas al molde de cocina.
Como el PTFE es un polímero sintético (es decir, no existe en gran medida en la naturaleza [1]), y el enlace CF también es extremadamente raro (solo 30 productos naturales descubiertos contienen este enlace). Esto de alguna manera, explica intuitivamente por qué a nada le gusta, es porque no se parece a nada más.
Para comparar, pensemos en los metales. Hay muchas aleaciones de metales complejos que producimos que tampoco existen en la naturaleza. Pero la oxidación de metales significa que reaccionarán con el oxígeno en la atmósfera y formarán varios óxidos, y esos óxidos son muy comunes en la naturaleza, por lo que aún podrían inducir una adhesión no deseada a sus alimentos. Pero el PTFE es extremadamente inerte químicamente, por lo tanto, no se degrada [2]. – Este ejemplo solo se usa para la lógica de que los materiales sintéticos no significan que nada se adhiera a ellos, el material también necesita ser químicamente estable.
Ahora, hemos establecido que el Teflón es esencialmente estas varillas rígidas que están cubiertas con átomos de flúor, veamos por qué nada se adhiere a ellas. Echemos un vistazo más de cerca a este enlace CF:
Este enlace es el vínculo más fuerte en la química orgánica [3], esto explica parcialmente la inercia química del PTFE. En combinación con el tamaño específico (más grande) de los átomos de flúor, protegen eficazmente el esqueleto de carbono de posibles ataques químicos. – Imagine los espaguetis cubiertos por completo con su salsa favorita.
El flúor es el elemento más electronegativo (escala de Pauling de 3.98), 16% más alto que el segundo (oxígeno, escala de Pauling de 3.44) [4]. Esto significa que este átomo realmente agarra el electrón, tan apretado que el enlace CF formado es uno de los enlaces más fuertes.
Este es un diagrama esquemático que explica la unión covalente (que es el tipo de enlace CF), mira el ejemplo inferior # 4
Así que ahí lo tenemos, mirando el dibujo inferior derecho, explica por qué nada se adhiere a PTFE, permítanme resumir los puntos clave:
- PTFE consiste en cadenas de polímero de PTFE
- Estas cadenas son rígidas y lineales y se enredan juntas
- Las cadenas rígidas también actúan como pequeños picos que hacen que la superficie sea muy dura, por lo tanto, aumentan el comportamiento de mojado
- Estas cadenas están fuertemente cubiertas por átomos de flúor, tan apretadas que no hay espacio para ver la estructura interna del carbono
- La capa de átomos de flúor se adhiere fuertemente al carbono subyacente a través de enlaces covalentes (que es el enlace más fuerte en química orgánica) y se cierra
- La superficie externa de estos átomos de flúor está saturada de electrones
[1] Centrándose en los elementos: compuestos orgánicos de flúor naturales
[2] Química de Organofluorine
[3] Enlace carbono-flúor
[4] Electronegatividad
