Através da investigação de superfícies de insetos, Pesquisadores da Penn State detalharam uma nanoestrutura anteriormente não identificada que pode ser usada para projetar mais resistentes, revestimentos repelentes de água mais resilientes.

Os resultados desta pesquisa foram publicados hoje (17 de julho) em Science Advances.

Com uma capacidade aprimorada de repelir gotas, este projeto pode ser aplicado a equipamentos de proteção individual (EPI) para melhor resistir a partículas carregadas de vírus, como COVID-19, entre outras aplicações.

"Nas últimas décadas, superfícies repelentes de água convencionalmente projetadas geralmente são baseadas em plantas, como folhas de lótus, "disse Lin Wang, estudante de doutorado no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Penn State e principal autor do artigo.

As teorias clássicas da engenharia usaram essa abordagem para criar superhidrofóbicos, ou repelente de água, superfícies. Tradicionalmente, eles são fabricados com texturas de baixa fração sólida, que mantêm uma camada extremamente fina de ar acima de uma baixa densidade microscópica, nanoestruturas semelhantes a cabelos, que os pesquisadores comparam a uma mesa de air hockey.

"O raciocínio é se a gota ou objeto está flutuando no topo do ar, não ficará preso à superfície, "disse Tak-Sing Wong, o professor de engenharia de início de carreira de Wormley, professor associado de engenharia mecânica e biomédica e conselheiro de Wang.

Uma vez que funciona de forma eficaz, revestimentos feitos pelo homem tendem a imitar a baixa densidade dessas nanoestruturas.

Contudo, este artigo detalha uma abordagem totalmente diferente. Ao examinar superfícies como o olho de um mosquito, corpo de um springtail ou a asa de uma cigarra sob microscópios eletrônicos de alta resolução, Wang descobriu que os fios de cabelo nanoscópicos nessas superfícies são mais densamente compactados, referido na engenharia como texturas de alta fração sólida. Após uma exploração posterior, este desvio significativo da estrutura das plantas pode imbuir benefícios adicionais de repelir a água.

"Imagine se você tivesse uma alta densidade dessas nanoestruturas em uma superfície, "Wang disse." Pode ser possível manter a estabilidade da camada de ar de forças de impacto mais altas.

Isso também pode significar que as estruturas mais densamente compactadas podem repelir o líquido que está se movendo a uma velocidade mais alta, como gotas de chuva.

Embora o conceito de design seja novo para os humanos, os pesquisadores teorizam que essa nanoestrutura aumenta a resiliência do inseto em seu ambiente natural.

"Para essas superfícies de insetos, repelir gotas de água é uma questão de vida ou morte. A força do impacto das gotas de chuva é suficiente para carregá-los até o solo e matá-los, "Disse Wang." Então, é muito importante que eles fiquem secos, e descobrimos como. "

Com este conhecimento adquirido da natureza, os pesquisadores esperam aplicar este princípio de design para criar revestimentos de próxima geração. Ao desenvolver uma superfície repelente de água que pode suportar um movimento mais rápido e gotas de maior impacto, as aplicações são abundantes.

Desde pequeno, veículos robóticos voadores, como os drones com os quais a Amazon espera entregar pacotes, para aviões comerciais, um revestimento que pode emular essas superfícies de insetos pode fornecer maior eficiência e segurança.

Contudo, à luz da pandemia COVID-19, os pesquisadores perceberam que esse conhecimento poderia ter um impacto adicional na saúde humana.

"Nós esperamos, quando desenvolvido, este revestimento pode ser usado para EPI. Por exemplo, se alguém espirrar em torno de um protetor facial, essas são gotículas de alta velocidade. Com um revestimento tradicional, essas partículas podem aderir à superfície do PPE, "Wong disse." No entanto, se os princípios de design detalhados neste artigo foram adotados com sucesso, teria a capacidade de repelir essas gotículas muito melhor e, potencialmente, manter a superfície livre de germes. "

Como visto neste trabalho, o Laboratório Wong para Engenharia Inspirada na Natureza extrai percepções de fenômenos biológicos para tornar as inovações da humanidade melhores e mais eficazes.

"Embora não tenhamos imaginado esse aplicativo no início deste projeto, COVID-19 nos fez pensar sobre como podemos usar este princípio de design para beneficiar mais pessoas, "Wong disse." Cabe a nós, como engenheiros, pegar essas descobertas e aplicá-las de uma forma significativa. "

A próxima etapa deste trabalho será o desenvolvimento em grande escala, método econômico que pode fabricar um revestimento para imitar essas propriedades.

"No passado, não tínhamos uma superfície eficaz que pudesse repelir gotas de água em alta velocidade, "Wong disse." Mas os insetos nos disseram como. Existem tantos exemplos como este na natureza; só precisamos aprender com eles. "