Superhidrofobicidade em Materiais

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Superhidrofobfobia, de folha em laboratório
Quando estamos fora na chuva, usamos capas de chuva e guarda-chuvas para nos manter secos. Eles são
feitos de materiais impermeáveis que possuem produtos químicos de superfície que são hostis à água. É
preciso menos energia para que as moléculas de água sejam atraídas para cada um do que para a superfície
impermeável, para que as contas de chuva se afastem e rolem.
Plantas e animais também podem se beneficiar de ficar seco e limpo, e alguns deles levam suas técnicas de
repelir água um passo além de nossas capas de chuva padrão. Uma capacidade especialmente poderosa de
derramar água é às vezes chamada de “efeito de lótus” porque é claramente observada nas folhas de lótus,
que permanecem limpas apesar de crescerem na água lamacenta. Vemos esse efeito em nossos quintais em
asas de borboleta, asas de mariposa e folhas de plantas, incluindo as de cocipientes e nasturtiums.
Cientistas e engenheiros querem entender as propriedades que repelem d'água dessas superfícies naturais
para que possam construir algo que funcione da mesma maneira. Estes projetos são um exemplo de
biomimética: projetar uma tecnologia inspirada na natureza. Um caso bem conhecido de biomimética é o
Velcro, cujos ganchos e laços ficam juntos como rebarbas em peles de cachorro. Outros exemplos incluem
adesivos inspirados em lagarto-pés, superfícies antibacterianas inspiradas em pele de tubarão e trens de alta
velocidade em forma de bico-marinho-rei.
Então, o que está por trás do “efeito lótus”?
O segredo da super-hidrofobicidade
Primeiro, vamos descrever a hidrofobicidade. A palavra “hidrofóbico” vem de palavras que significam “um
medo ou ódio da água”. Na ciência dos materiais, refere-se a um material que repele a água. Podemos medir
a intensidade com que um material repele a água, ou quão hidrofóbica ela é, colocando uma gotícula de água
na superfície e medindo o ângulo entre a gota e a superfície.
O ângulo de contato de
uma gota de água
sentado em uma
superfície é uma
indicação de se a água e
a superfície se repelem
ou se atraem. Crédito da
imagem: Esme Symons
O ângulo é medido no ponto em que a gota, a superfície e o ar se encontram. É medido a partir da superfície
horizontal através da gota para o lado da gota tocando o ar. Quanto maior o ângulo - é, mais hidrofóbica a
superfície - como se a água estivesse desconfortável sentada na superfície, por isso está tocando-a o mínimo
possível. Um ângulo inferior a 90o significa que a superfície é hidrofílica e facilmente molhada pela água. Se o
ângulo for maior que 90o, o material é hidrofóbico e repele a água uma quantidade moderada (como uma capa
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3148040/
https://asknature.org/strategy/wing-surface-self-cleans/
https://www.atlantis-press.com/proceedings/icaemt-15/25839169
https://www.scirp.org/JOURNAL/PaperInformation.aspx?PaperID=59291
https://www.gardenbetty.com/the-superhydrophobic-surface-of-nasturtium-leaves/
https://www.wipo.int/ipadvantage/en/details.jsp?id=2658
https://www.sciencemag.org/news/2014/11/gecko-inspired-adhesives-allow-people-climb-walls
https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/presspacs/2018/acs-presspac-june-13-2018/attacking-bacteria-with-shark-skin-inspired-surfaces.html
https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/presspacs/2018/acs-presspac-june-13-2018/attacking-bacteria-with-shark-skin-inspired-surfaces.html
https://asknature.org/idea/shinkansen-train/
https://blog.scienceborealis.ca/wp-content/uploads/sites/2/2020/07/contact-angles_2.png
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de chuva). Se o ângulo for maior que 150o, o material é muito repelente à água e é chamado superhidrofóbico
(ou ultra-hidrofóbico).
Com ampliação de 5000x, podemos ver dois
tamanhos de textura em uma asa de borboleta.
 Crédito da imagem: SecretDisk, CC BY-SA 3.0,
modificado
O truque para materiais super-hidrofóbicos biológicos está na textura da superfície. Asas de borboleta são
cobertas em escamas feitas de um polímero biológico chamado quitina. A quitina é inerentemente hidrofóbica,
mas a textura em cada escala esvoa a capacidade de repelir ainda mais a água. Esta textura pode ser vista
em alta ampliação com um microscópio eletrônico de varredura. A imagem acima mostra uma única escala de
borboleta com cristas de microescala (destacadas em vermelho) e pontes em nanoescala (destacadas em
amarelo) que conectam as cristas de microescala perpendicularmente. A textura multiescala da escala, onde
algumas características são de tamanho micrométrico e outras são do tamanho de um namóno, é o que
transforma a quitina hidrofóbica em asas de borboleta super hidrofóbica.
Uma textura multiescala super-hidrofóbica consiste em uma estrutura do tamanho do nanômetro, juntamente
com uma estrutura de tamanho micrométrico. Crédito da imagem: Munir.ashraf, CC0 1.0, modificado
A combinação dessas duas escalas diferentes de textura afeta o estado de molhamento do material ou como a
água interage com ela. A água pode ficar em uma superfície áspera de duas maneiras possíveis: o estado de
Wenzel, onde a água e a superfície estão em contato completo, ou o estado de Cassie-Baxter, onde bolsões
de ar reduzem a área de contato entre a água e a superfície. Em uma superfície super-hidrofóbica, a
combinação de texturas em micro e nanoescala coloca a água no estado de Cassie-Baxter, e a água pode
facilmente rolar na superfície.
https://blog.scienceborealis.ca/wp-content/uploads/sites/2/2020/07/SEM_butterfly_3-e1594503151212.jpg
https://blog.scienceborealis.ca/wp-content/uploads/sites/2/2020/07/multiscale_4.png
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Dois possíveis estados de molhamento para uma gota em uma superfície texturizada. Crédito da imagem:
Vladsinger, CC BY-SA 3.0, modificado
Como a super-hidrofobicidade pode ser usada em nossas vidas
cotidianas
Jason Tam, um dos pesquisadores de um grupo da Universidade de Toronto que trabalha com super-hidroia
inspirado nas folhas de aspen da anilha canadense, diz: “Há muitas aplicações emocionantes de superfícies
super-hidrofóbicas. Por exemplo, [...] a propriedade auto-limpante. A sujeira [ou] poeira acumulada em uma
superfície superhidrofóbica pode ser facilmente removida por um respingo de água ou gotículas de chuva; a
água vai rolar para fora da superfície e leva a sujeira para longe também, levando a uma superfície limpa e
seca [sic]. Tam observa que isso poderia reduzir a quantidade de tempo e trabalho necessários para limpar
janelas, especialmente em arranha-céus com muitas histórias de difícil acesso.
Outra possível aplicação, particularmente relevante para países frios como o Canadá, é limitar a formação de
gelo em estruturas como a transmissão de energia e torres de comunicação ou aviões. Quando o gelo não é
um problema, repelir a água ainda pode significar evitar ferrugem e corrosão, prolongando a vida útil das
estruturas metálicas.
Aplicar essa tecnologia ao tecido permitiria roupas superhidrofóbicas, tendas e outros itens macios.
Pesquisadores em Montreal desenvolveram um processo de revestimento para fibras de algodão que fornece
propriedades super-hidrofóbicas de tecido normalmente absorvente.
Durability issues
To imitate a butterfly wing or lotus leaf and create a superhydrophobic surface, we need to take a hydrophobic
material and add multiscale texture to it. Methods for creating the texture include moulding, etching, and
coating. Unfortunately, this critical surface texture can easily wear off, making durability a major issue. Tam
explains one approach to this challenge: “To address this problem, we developed a superhydrophobic
composite coating material comprised of nanocrystalline [nickel] matrix with embedded polytetrafluoroethylene
[Teflon] particles. The former provides the strength and wear resistance while the latter provides the
https://blog.scienceborealis.ca/wp-content/uploads/sites/2/2020/07/wetting_states_5.png
https://mse.utoronto.ca/faculty-staff/professors/erb/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6648567/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6648567/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6648567/https://tspace.library.utoronto.ca/bitstream/1807/92153/3/Tam_Jason_201811_PhD_thesis.pdf#page=46
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hydrophobic behaviour. […] Even when the composite material is subjected to abrasive wear during service,
the hydrophobic particles will be continually exposed on the surface, providing long term non-wetting
properties.”
Research into superhydrophobic materials continues and we could soon be seeing this super effective water-
repellant property on anything that would benefit from staying dry. It’s all thanks to butterfly wings, lotus leaves,
and the people who study them.
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Banner image by haritama, CC-BY-3.0 https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mizutama_-_panoramio.jpg
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mizutama_-_panoramio.jpg