Um fluido de estresse de rendimento semelhante a um gel, principal, move-se como um tampão sem cisalhar em um tubo com o novo revestimento de superfície. No fundo, o mesmo fluido é visto cisalhando enquanto flui em um tubo não revestido, onde parte do fluido fica preso ao tubo enquanto parte continua a fluir. Crédito:Massachusetts Institute of Technology
Uma equipe de pesquisa do MIT que já superou o problema de tirar o ketchup de sua garrafa agora abordou uma nova categoria de problema para o consumidor e a manufatura:como fazer com que materiais muito mais grossos deslizem sem grudar ou deformar.
Os revestimentos escorregadios que a equipe desenvolveu, chamadas superfícies impregnadas de líquido, pode ter inúmeras vantagens, incluindo a eliminação do desperdício de produção que resulta do material que gruda no interior do equipamento de processamento. Eles também podem melhorar a qualidade de produtos, desde pães a produtos farmacêuticos, e até mesmo melhorar a eficiência das baterias de fluxo, uma tecnologia em rápido desenvolvimento que poderia ajudar a promover a energia renovável, fornecendo armazenamento barato para a eletricidade gerada.
Essas superfícies são baseadas em princípios inicialmente desenvolvidos para ajudar os alimentos, cosméticos, e outros líquidos viscosos escorregam de seus recipientes, como concebido por Kripa Varanasi, professor de engenharia mecânica no MIT, junto com ex-alunos Leonid Rapoport Ph.D. '18 e Brian Solomon Ph.D. '16. O novo trabalho está descrito na revista Materiais e interfaces aplicados ACS .
Como as superfícies anteriores que desenvolveram, que levou à criação de uma empresa spinoff chamada LiquiGlide, as novas superfícies são baseadas em uma combinação de uma superfície especialmente texturizada e um lubrificante líquido que reveste a superfície e permanece preso no lugar através da ação capilar e outras forças intermoleculares associadas a tais interfaces. O novo artigo explica os princípios fundamentais de design que podem atingir quase 100 por cento de redução de fricção para esses fluidos gelatinosos.
Precisando de um aperto
Esses materiais, conhecidos como fluidos de estresse de rendimento, incluindo géis e pastas, são onipresentes. Eles podem ser encontrados em produtos de consumo, como alimentos, condimentos, e cosméticos, e em produtos nas indústrias de energia e farmacêutica. Ao contrário de outros fluidos, como água e óleos, esses materiais não começarão a fluir por conta própria, mesmo quando seu contêiner é virado de cabeça para baixo. Iniciar o fluxo requer uma entrada de energia, como apertar o recipiente.
Mas esse aperto tem seus próprios efeitos. Por exemplo, a máquina de fazer pão inclui tipicamente raspadores que empurram constantemente a massa pegajosa para longe das laterais de seu recipiente, mas essa raspagem constante pode resultar em amassamento excessivo e um pão mais denso. Um recipiente escorregadio que não requer raspagem poderia, assim, produzir um pão com melhor sabor, Varanasi diz. Usando este sistema, "além de tirar tudo do contêiner, agora você adiciona maior qualidade "do produto resultante.
Isso pode não ser crítico quando se trata de pão, mas pode ter grande impacto nos produtos farmacêuticos, ele diz. O uso de raspadores mecânicos para impulsionar os materiais do medicamento através de tanques e tubos de mistura pode interferir na eficácia do medicamento, porque as forças de cisalhamento envolvidas podem danificar as proteínas e outros compostos ativos da droga.
Usando os novos revestimentos, em alguns casos, é possível alcançar uma redução de 100 por cento no arrasto que o material experimenta - equivalente a "deslizamento infinito, "Varanasi diz.
Quando um fluido de tensão de escoamento, um material parecido com gel, flui em um tubo de vidro simples, ele fica preso às paredes e sofre tensão de cisalhamento. Contudo, um tubo revestido com um revestimento escorregadio permite que o fluido se mova como um tampão sem cisalhar e sem manchar o tubo. Crédito:Massachusetts Institute of Technology
"De um modo geral, as superfícies são facilitadoras, "diz Rapoport." Superfícies superhidrofóbicas, por exemplo, permitir que a água role facilmente, mas nem todos os fluidos podem rolar. Nossas superfícies permitem que os fluidos se movam da maneira que for mais preferível para eles - seja rolando ou deslizando. Além disso, descobrimos que os fluidos de tensão de escoamento podem se mover em nossas superfícies sem cisalhar, essencialmente deslizando como corpos sólidos. Isso é muito importante quando você deseja manter a integridade desses materiais durante o processamento. "
Como a versão anterior das superfícies escorregadias que Varanasi e seus colaboradores criaram, o novo processo começa criando uma superfície texturizada em nanoescala, seja gravando uma série de pilares próximos ou paredes na superfície, ou esmerilhar ranhuras ou poços mecanicamente. A textura resultante é projetada para ter características tão minúsculas que a ação capilar - o mesmo processo que permite às árvores puxar água até seus galhos mais altos por meio de pequenas aberturas abaixo da casca - pode agir para reter um líquido, como um óleo lubrificante, no lugar na superfície. Como resultado, qualquer material dentro de um recipiente com este tipo de revestimento essencialmente só entra em contato com o líquido lubrificante, e desliza para fora em vez de grudar na parede sólida do contêiner.
O novo trabalho descrito neste artigo detalha os princípios que os pesquisadores criaram para permitir a seleção ideal de texturização de superfície, material lubrificante, e processo de fabricação para qualquer aplicação específica com sua combinação particular de materiais.
Ajudando as baterias a fluir
Outra aplicação importante para os novos revestimentos é em uma tecnologia de rápido desenvolvimento chamada baterias de fluxo. Nessas baterias, eletrodos sólidos são substituídos por uma pasta de minúsculas partículas suspensas em líquido, que tem a vantagem de que a capacidade da bateria pode ser aumentada a qualquer momento simplesmente adicionando tanques maiores. Mas a eficiência dessas baterias pode ser limitada pelas taxas de fluxo.
Usar os novos revestimentos escorregadios pode aumentar significativamente a eficiência geral de tais baterias, e Varanasi trabalhou com os professores do MIT Gareth McKinley e Yet-Ming Chiang no desenvolvimento de tal sistema liderado por Solomon e Xinwei Chen, um ex-pós-doutorado no laboratório de Chiang.
Esses revestimentos podem resolver um dilema que os designers de baterias de fluxo enfrentaram, porque eles precisavam adicionar carbono ao material da lama para melhorar sua condutividade elétrica, mas o carbono também tornou a lama muito mais espessa e interferiu em seu movimento, levando a "uma bateria de fluxo que não podia fluir, "Varanasi diz.
"Anteriormente, as baterias de fluxo tinham a desvantagem de que, à medida que você adiciona mais partículas de carbono, a lama se torna mais condutiva, mas também se torna mais espesso e muito mais difícil de fluir, "diz Solomon." Usar superfícies escorregadias nos permite ter o melhor dos dois mundos, permitindo o fluxo de espessura, suspensões de estresse de escoamento. "
O sistema aprimorado permitiu o uso de uma formulação de eletrodo de fluxo que resultou em um aumento de quatro vezes na capacidade e uma economia de 86 por cento na energia mecânica, em comparação com o uso de superfícies tradicionais. Esses resultados foram descritos recentemente na revista. Materiais de energia aplicada ACS .
"Além de fabricar um dispositivo de bateria de fluxo que incorpora as superfícies escorregadias, também definimos critérios de design para seus eletroquímicos, químico, e estabilidade termodinâmica, "explica Solomon." Superfícies de engenharia para uma bateria de fluxo abre um ramo inteiramente novo de aplicações que podem ajudar a atender a demanda futura de armazenamento de energia. "
