¿Al abrir un vasito de yogur, ha notado que algunas veces el yogur se pega a la tapa y otras veces no? ¿Por qué sucede?
La respuesta está en el nivel de repelencia al agua a partir de la tapa: el yogur se adherirá a una tapa dotada de una menor repelencia al agua, pero no a una con mayor repelencia.
Izquierda: Yogur no adherido (alta repelencia al agua). Derecha: Yogur adherido (baja repelencia al agua).
La repelencia al agua es solo una de las muchas propiedades añadidas en el tratamiento superficial de las películas empleadas para el envasado de alimentos con el fin de dotarlas de funciones específicas. Para el envasado de alimentos se requieren muchas funciones, tales como:
- Mantener la frescura y calidad de los alimentos.
- Facilitar el manejo para los consumidores, como la abertura del empaque.
- Crear una superficie resistente a los contaminantes.
La demanda de ciertas funciones en el envasado de alimentos, como reducir la pérdida de alimentos al aminorar la adherencia, es cada vez mayor. Por consiguiente, la tecnología del envasado está en constante evolución. La calidad de los tratamientos aplicados a la superficie de una película debe ser verificada mediante una inspección que mida la rugosidad superficial.
La inspección de la rugosidad superficial se ejecuta normalmente con un microscopio confocal láser 3D cuyo propósito es identificar las irregularidades finas en la superficie de la película y cuantificarlas numéricamente. En un reciente experimento, se usó el microscopio confocal láser 3D LEXT™ OLS5100 para investigar la relación entre la repelencia al agua y la rugosidad superficial a través de dos tapas de distintos envases de yogur.
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Verificación: Condición superficial visual de las tapas
Primero, se observó en 3D la condición superficial visual de la parte posterior de las tapas de yogur usando el microscopio confocal láser OLS5100.
Cada tapa estaba compuesta de múltiples capas de películas, como una capa de aluminio dotada de sólidas propiedades reflectantes. A fin de capturar correctamente la forma superficial exterior de la película, es importante adquirir datos que no se vean afectados por un fuerte reflejo proveniente de la capa inferior de aluminio. El uso de una lente de objetivo de gran magnificación con poca profundidad de enfoque reduce el efecto de un fuerte reflejo a partir de la capa inferior, y permite que los datos se adquieran solo desde la superficie más externa de la película.
El microscopio OLS5100 está adaptado a una longitud de onda láser de 405 nm y trabaja con una lente de objetivo LEXT dedicada a fin de eliminar las aberraciones. Por medio de esta configuración, es posible adquirir datos precisos sobre un amplio campo visual.
Objetivos LEXT dedicados de izquierda a derecha: Objetivo de baja magnificación 10X, objetivos de alto rendimiento 20X, 50X y 100X y objetivos de larga distancia de trabajo 20X, 50X y 100X. 165
La adquisición de datos 3D deja claro que la tapa de yogur dotada de una alta repelencia al agua posee agregados esféricos convexos de varios tamaños, cuya dispersión se manifiesta al azar en la superficie de base. En cambio, la tapa dotada de una baja repelencia al agua no posee una forma convexa perceptible.
Datos 3D visuales provenientes de dos tapas de distintos yogures, y adquiridos con el microscopio confocal láser OLS5100. Izquierda: Tapa de yogur con alta repelencia al agua (objetivo de 50X, cerca de 250 µm). Derecha: Tapa de yogur con baja repelencia al agua (objetivo de 50X, cerca de 250 µm).
Para comprender la condición superficial de una muestra con alta repelencia al agua, considere las superficies de las hojas de loto y el brócoli. Posiblemente ha visto como estas superficies repelen el agua al hacerla fluir hacia abajo. Estas superficies presentan una forma irregular fina llamada estructura fractal. Gracias a esta forma, el agua puede ser repelida. Una estructura fractal es una configuración de distintas formas similares, pero con diferentes escalas.
Repelencia al agua de una hoja de loto (izquierda) y del brócoli (derecha)
Con base en estas formas naturales, la estructura fractal también es aplicada a aquellas tapas de yogur en donde se intenta otorgar una alta repelencia al agua. En el ejemplo anterior, los datos de un campo visual (alrededor de 250 µm) se muestran gracias a una lente de objetivo de 50X.
Adquisición de los datos de rugosidad superficial: Campo visual más amplio
Posteriormente, se ejecutó la adquisición de los datos a partir de un área más amplia con el fin de ver la distribución que posee esta característica de forma convexa en la parte posterior de la tapa de yogur altamente repelente al agua.
Una lente de objetivo de gran magnificación es efectiva para adquirir datos solo a partir de la superficie exterior de la parte posterior de la tapa. Sin embargo, el rango de un campo de visión es demasiado estrecho para capturar todos los datos.
La aplicación/función mosaico del microscopio OLS5100 permite unir imágenes individuales capturadas con una lente de objetivo de gran magnificación para crear una imagen de alta resolución en un campo visual más amplio.
Izquierda: Imágenes individuales 2D antes de la aplicación mosaico. Derecha: Imagen 2D después de la aplicación mosaico.
A continuación, es posible observar que la apariencia de los agregados convexos y dispersos aleatoriamente en un campo visual (derecha) tiene una distribución similar incluso cuando el campo visual se amplía (izquierda). Los agregados convexos poseen una estructura fractal.
Izquierda: Imágenes unidas de 3 × 3 (objetivo 50X, cerca de 700 µm). Derecha: Campo visual (objetivo 50X, cerca de 250 µm).
Cuantificación de la condición superficial
Las imágenes anteriores muestran visualmente lo siguiente:
- Los estados superficiales difieren mucho entre las películas dotadas de alta repelencia al agua y de aquellas dotadas de poca repelencia.
- Los agregados convexos están presentes en películas altamente repelentes al agua.
- Los agregados convexos proporcionan una estructura fractal en la que agregados convexos similares se dispersan incluso cuando las imágenes son unidas y observadas bajo un amplio campo visual.
En función de estos resultados, se cuantificó la condición superficial de estas dos tapas por medio de la medición de rugosidad superficial del microscopio confocal láser 3D OLS5100.
En la evaluación de rugosidad se suele usar un medidor de rugosidad superficial de tipo lápiz/lapicero óptico que adquiere datos de forma unilineal. Ahora bien, para las formas con irregularidades dispersas localmente, como en las superficies dotadas de alta repelencia al agua, el valor de rugosidad varía mucho según la línea trazada por el lápiz/lapicero. Además, el contacto con el lápiz óptico puede dañar la muestra, lo que representaría un riesgo durante la medición.
No obstante, un microscopio confocal láser 3D puede obtener datos superficiales sin contacto. Esto lo logra al escanear el rayo láser. Este proceso facilita más información sobre la forma de la superficie a diferencia de los datos adquiridos de forma unilineal por el lápiz/lapicero óptico.
Izquierda: Lápiz/lapicero óptico que puede dañar la superficie de la muestra. Derecha: Medición sin contacto con un microscopio confocal láser 3D que no daña muestras.
Izquierda: Datos de un medidor de rugosidad superficial tipo lápiz/lapicero que proporciona información por escaneo unilineal. Derecha: Microscopio confocal láser 3D OLS5100 que adquiere información a partir de un plano completo. 187
Los datos adquiridos a partir del amplio campo visual (cerca de 700 µm) son usados para medir la rugosidad superficial.
Para obtener datos adecuados a partir de la rugosidad superficial, es importante evaluarla a partir de un campo visual que integre al menos 10 componentes característicos con formas irregulares propensas a influir en mayor medida la función superficial de la muestra.
Para la muestra dotada de una alta repelencia al agua, esto significa lo siguiente: Suponiendo que cada agregado convexo, visto en un campo visual (objetivo 50X, cerca de 250 µm), es un componente dotado de una forma característica que proporciona una función repelente al agua, será necesaria la captura de al menos 10 agregados convexos en un campo visual más amplio. Para recopilar más de 10 agregados convexos, se usaron datos de campo amplio con imágenes unidas de 3 × 3 a fin de evaluar la rugosidad de la superficie.
Resultados de la medición de rugosidad superficial
Con la lente del objetivo 50X, el microscopio láser 3D proporcionó los siguientes resultados con respecto a la superficie posterior de las dos tapas:
| Muestra | Sp [µm] | Sv [µm] | Sz [µm] | Sa [µm] | Sdq | Sdr [%] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Alta repelencia al agua _50×z1_3×3 | 28,419 | 9,597 | 38,016 | 4,297 | 2,082 | 31,562 |
| Baja repelencia al agua_50×z1_3×3 | 2,044 | 7,434 | 9,478 | 0,471 | 0,127 | 0,561 |
Los parámetros que se deben tomar en cuenta son Sp, Sz, Sa, Sdq, y Sdr. A continuación, se proporciona una descripción general de estos parámetros:
Sz (altura máxima) y Sp (altura máxima del pico)
Al observar el valor Sz, es posible ver el tamaño de la irregularidad a partir de la superficie promedio. El valor Sz es la suma de la altura máxima del pico (Sp) y la profundidad máxima del valle (Sv). Aquí, se presta especial atención a la diferencia de Sp y Sv cuyo valor es sólo más grande en Sp. En este ejemplo, estos datos muestran que la tapa altamente repelente al agua posee muchas formas convexas a partir de la superficie promedio.
Sa (altura media aritmética)
El valor Sa muestra el valor promedio de la diferencia de altura a partir de la superficie promedio. La tapa altamente repelente al agua con un alto valor de Sa presenta más desniveles.
Sdq (gradiente medio cuadrático)
El valor Sdq muestra el tamaño promedio del gradiente local de las irregularidades de la superficie. La tapa altamente repelente al agua con un alto valor Sdq presenta mayores irregularidades, lo que reduce el brillo de la superficie.
Sdr (relación de área de interfaz extendida)
El valor Sdr muestra el índice de aumento en el área superficial. Cuanto existe una repelencia al agua más elevada, mayor será el nivel de ondulación y la superficie.
Entender la repelencia al agua por medio de los datos
Formar la superficie de la tapa impermeable en función de una estructura fractal reduce el área de contacto entre el yogur y la tapa. Esta forma superficial hace que el yogur forme gotitas que no se adhieren a la película. La reducción del área de contacto significa que el área superficial de la película es grande e irregular. En cambio, la tapa con baja repelencia al agua presenta una superficie pequeña y uniforme que crea una gran área de contacto. Es posible concluir entonces que el yogur se adhiere a la tapa debido a que la adherencia aumenta a medida que el área de contacto incrementa.
A continuación, se expone la relación del nivel de repelencia al agua en función de los datos de rugosidad superficial:
 |  |
| Tapa de yogur con alta repelencia al agua | Tapa de yogur con baja repelencia al agua |
| Área de contacto con yogur: | Pequeña | Grande |
| Irregularidad (Sq/Sz/Sa): | Grande | Pequeña |
| Pendiente local de irregularidad (Sdq): | Grande | Pequeña |
| Área superficial (Sdr): | Grande | Pequeña |
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