p O que o detergente para a louça e as panelas antiaderentes têm em comum? Além de um ser usado para limpar o outro após o cozimento, ambos os utensílios domésticos derivam sua utilidade ao afetar as propriedades físicas dos fluidos e as superfícies com as quais esses fluidos entram em contato. p O líquido de lavagem de louça retira o óleo das superfícies porque sua composição química consiste em um grupo repelente de água (hidrofóbico) que se liga preferencialmente ao óleo, e um grupo 'amante da água' (hidrofílico) que se liga preferencialmente à água. Isso reduz efetivamente a tensão superficial do óleo, permitindo que seja facilmente enxaguado.

p Por outro lado, Panelas antiaderentes são normalmente revestidas com um material conhecido como politetrafluoroetileno - mais conhecido como Teflon - que é extremamente hidrofóbico. Praticamente qualquer coisa desliza para fora das superfícies revestidas de Teflon porque as forças adesivas entre o Teflon e muitos outros materiais ou moléculas são quase desprezíveis.

p Os surfactantes, como detergentes para louças, e materiais como o Teflon, têm outros usos além das tarefas domésticas mundanas. Na verdade, eles estão envolvidos em uma ampla gama de processos industriais, incluindo a extração de petróleo bruto e a prevenção de incrustação em dispositivos biomédicos. Para atender a essas necessidades industriais diversas, Os cientistas da A * STAR estão constantemente explorando novos materiais e técnicas para modificar a forma como os fluidos interagem entre si e com as superfícies.

p Pistas da natureza

p Embora a engenhosidade humana tenha sido a fonte de muitos métodos sintéticos para controlar a forma como o óleo e a água interagem, a natureza costuma ser um grande inventor, como Nanji Hadia, um cientista pesquisador no Instituto de Ciências Químicas e de Engenharia (ICES) da A * STAR, descoberto.

p Trabalhando no problema da extração de petróleo bruto, Hadia estava procurando maneiras mais ecológicas de recuperar o óleo residual em reservatórios. "Na maioria dos reservatórios de petróleo, uma grande quantidade de óleo permanece irrecuperável porque está preso nas gargantas dos poros em escala de mícron das rochas reservatório, "disse Hadia." As forças capilares são um fator-chave que retém o óleo nesses minúsculos poros da garganta. "

p Para maximizar a quantidade de petróleo bruto que pode ser recuperado de cada poço de petróleo, a indústria do petróleo desenvolveu uma abordagem conhecida como recuperação aprimorada de petróleo. "Um tipo de recuperação aprimorada de óleo envolve o uso de surfactantes para superar as forças capilares que prendem o óleo no lugar e permitir que óleo e água se misturem em emulsões que podem então fluir mais facilmente através dos poros, "Hadia disse.

p Contudo, muitos surfactantes sintéticos existentes incluem sulfatos e sulfonatos que nem sempre são biodegradáveis ​​e representam preocupações ambientais. "Por causa das restrições ambientais cada vez mais rigorosas, é uma prioridade para a indústria de exploração e produção de petróleo avançar para surfactantes verdes, "Hadia observou.

p Hadia, portanto, decidiu dar uma olhada no manual de inovação da natureza, colaborando com seu colega Christoph Ottenheim para produzir moléculas semelhantes a surfactantes naturais a partir de bactérias, também chamados de biossurfactantes. Dois tipos de biossurfactantes têm sido amplamente estudados no contexto da recuperação aprimorada de óleo:glicolipídeos, que são moléculas de gordura com uma cadeia de açúcar ligada a elas; e lipopeptídeos, moléculas de gordura com uma curta cadeia de aminoácidos (os blocos de construção básicos das proteínas) ligada a eles.

p Tirando a tensão

p Em seu estudo, Hadia e Ottenheim focaram em um lipopeptídeo chamado surfactina, produzido pela família de bactérias Bacillus. "As surfactinas são conhecidas por sua capacidade de reduzir drasticamente a tensão interfacial entre o óleo e a água, "Disse Hadia. Mas produzir surfactinas em quantidades suficientemente grandes sem incorrer em custos astronômicos continua sendo um problema difícil de resolver e é uma consideração importante para a indústria de produção de petróleo.

p Atualmente, surfactina é obtida por fermentação, em que os Bacillus são fornecidos com uma mistura específica de nutrientes e mantidos sob um pH preciso, condições de temperatura e aeração que favorecem a síntese da surfactina. "No nosso caso, usamos cepas de Bacillus subtilis 22.2 e permitimos que fermentassem um caldo de nutrientes durante a noite a 30 ° C, "Ottenheim explicou. O produto da fermentação continha uma mistura de surfactinas, com rendimento inferior a 1 g / L de caldo.

p Avaliando o efeito de sua mistura de surfactina em dois óleos crus de tanque de estoque, os pesquisadores descobriram que uma baixa concentração de surfactina de 0,025% foi capaz de reduzir a tensão interfacial de ambos os óleos em cem a mil vezes, facilitando assim a formação de emulsões óleo-em-água. Isso, por sua vez, permite que o óleo flua facilmente das gargantas dos poros.

p Para imitar melhor as condições do mundo real sob as quais a mistura de surfactina teria que funcionar, A equipe de Hadia também realizou experimentos de inundação coletiva, prendendo óleo no arenito de Berea, um arenito natural poroso, em seguida, tentando recuperar o óleo. "Fomos capazes de recuperar 1,5-5% mais óleo injetando solução de surfactina 0,1% nas amostras de rocha [em comparação com quando a surfactina não foi usada], "Hadia disse.

p Parte dessa melhoria também pode ser atribuída ao fato de que a surfactina alterou a molhabilidade das amostras de rocha para torná-las mais úmidas (da mesma forma que o líquido para lava-louças funciona), permitindo que o óleo seja lavado com água. Tomados em conjunto, surfactinas representam uma solução viável e ambientalmente mais amigável para a recuperação aprimorada de óleo na indústria de petróleo, Hadia notou.

p Um esporte de contato

p A capacidade de ajustar a molhabilidade da superfície é igualmente útil fora do campo da recuperação de óleo. Por exemplo, em microfluídica, que envolve a passagem de líquidos por canais muito pequenos, a molhabilidade desses canais influencia significativamente como os líquidos fluem dentro deles, ou se as células biológicas podem aderir às superfícies dos canais para fins de órgão no chip.

p Em vez de aplicar um revestimento (como Teflon ou surfactina), outra estratégia para modificar a molhabilidade da superfície é por meio do uso de lasers. Pesquisadores liderados por Zhongke Wang, um cientista pesquisador no Instituto de Tecnologia de Fabricação de Cingapura (SIMTech) da A * STAR, usaram irradiação a laser para controlar com precisão a molhabilidade do policarbonato, um tipo de plástico transparente e biocompatível.

p "Até aqui, a maioria das técnicas existentes pode apenas aumentar ou diminuir a molhabilidade do policarbonato, mas não ajuste a molhabilidade nos dois sentidos, "Wang disse, acrescentando que os métodos atuais também carecem de flexibilidade para criar ângulos de contato arbitrários entre superfícies de policarbonato e líquidos. Um ângulo de contato de mais de 90 ° significa que uma superfície é hidrofóbica, enquanto um ângulo de contato inferior a 90 ° indica que uma superfície é hidrofílica. Em outras palavras, uma superfície hidrofílica tem maior molhabilidade do que uma hidrofóbica.

p Usando um laser de femtossegundo, assim chamado porque emite pulsos ultracurtos de luz focada, A equipe de Wang conseguiu fazer superfícies de policarbonato hidrofóbicas ou hidrofílicas em graus variados, dependendo de parâmetros como intensidade do laser, o número de pulsos de laser aplicados e a velocidade de varredura do laser.

p Por exemplo, uma alta velocidade de varredura de 0,5 mm / s com um número de pulso de 60 resultou em um ângulo de contato de mais de 150 ° entre o policarbonato e uma gota de água de 0,5 mm, o que significa que o policarbonato se tornou super-hidrofóbico. Por outro lado, uma velocidade de varredura inferior de 29 mm / s com menos pulsos resultou em um ângulo de contato inferior a 5 °, indicativo de uma superfície superhidrofílica.

p "As mudanças nas ligações químicas na superfície do policarbonato como resultado de diferentes condições de irradiação a laser determinam a molhabilidade da superfície digitalizada a laser. Os grupos polares induzidos pela irradiação a laser resultaram em uma superfície hidrofílica, enquanto os grupos não polares induzidos por irradiação a laser resultaram em uma superfície hidrofóbica, "Wang explicou.

p Buscando sinergias

p Tendo demonstrado que a superfície de policarbonato é química e fisicamente alterada pelo laser de femtossegundo, os pesquisadores queriam testar a estabilidade das propriedades da superfície no contexto da microfluídica. Em microfluídica, ultrassonicação - a aplicação de ondas sonoras de alta frequência - é comumente usada para enxaguar os minúsculos canais na presença de água ou produtos químicos.

p A equipe de Wang descobriu que a rugosidade das superfícies hidrofóbicas foi aumentada pela ultrassonicação com água e etanol. Em contraste, a rugosidade das superfícies hidrofílicas foi diminuída. Os pesquisadores também observaram que a hidrofobicidade e hidrofilia das superfícies de policarbonato tratadas com laser diminuíram após a ultrassonicação com água e etanol.

p "Acreditamos que há duas possibilidades para a mudança na molhabilidade da superfície pós-tratamento:a ultrassonicação pode ter desalojado detritos das superfícies tratadas com laser, ou a ultrassonicação pode ter resultado em mudanças adicionais nas ligações químicas na superfície do policarbonato, "Wang explicou. Ele acrescentou que futuros experimentos usando espectroscopia de fotoelétrons de raios-X serão necessários para esclarecer se mudanças nas ligações químicas realmente ocorreram após a ultrassonicação.

p As descobertas do trabalho de Wang podem ter implicações para a pesquisa de Hadia, uma vez que a microfluídica é útil para a visualização de fluxo em uma escala muito pequena. “No caso de estudos avançados de recuperação de petróleo, a microfluídica ajuda os pesquisadores a entender o deslocamento de um fluido por outro em um chip microfluídico de vidro contendo uma rede de poros que representa uma amostra de rocha porosa, "Hadia disse. Portanto, enquanto Wang e Hadia podem estar estudando problemas diferentes, seus campos de pesquisa sutilmente se sobrepõem e geram sinergias.

p Ambos os cientistas também oferecem diferentes abordagens para a modificação da superfície, seja por meios químicos (revestimento com surfactina) ou por métodos físicos (lasers). Suas descobertas abrem caminho para maior eficiência e redução do impacto ambiental dos processos industriais, exemplificando como a pesquisa e o desenvolvimento podem produzir soluções bacanas para alguns dos problemas mais desafiadores da sociedade.