Os pesquisadores do KAUST observaram que gotículas "pendentes" se formaram a partir de capilares hidrofóbicos em campos elétricos uniformes. Crédito:KAUST; Anastasia Serin
Um experimento, elegante em sua simplicidade, ajuda a explicar por que a água fica eletrificada ao tocar em superfícies hidrofóbicas.
Por mais de um século, os cientistas ficaram intrigados com a eletrificação da água quando ela é colocada em contato com materiais repelentes de água ou "hidrofóbicos", como cera de parafina, óleos, bolhas de ar e membranas e folhas perfluoradas. Os mecanismos subjacentes permanecem debatidos acaloradamente. Agora, uma equipe de engenheiros da KAUST desvendou as funções da água, hidrofobicidade e fatores ambientais neste processo. Esta contribuição fundamental pode apoiar o desenvolvimento de melhores dispositivos para microfluídicos e nanofluídicos e para a geração de energia limpa.
"Superfícies hidrofóbicas são bastante comuns, "observa Jamilya Nauruzbayeva, Ph.D. aluno e autor principal do estudo. "Por exemplo, polipropileno e pipetas perfluoradas, tubos, revestimentos e membranas são superfícies hidrofóbicas usadas para muitas ciências básicas e aplicações de engenharia. Assim, é importante entender quais mecanismos estão em ação para melhorá-los e desenvolver novos. "
Himanshu Mishra, quem concebeu e liderou este estudo, diz que pensa nesse problema há mais de cinco anos. "Sondar a superfície da água é uma tarefa terrivelmente difícil porque a espessura das interfaces está na escala molecular, que nenhuma técnica experimental pode sondar de forma inequívoca, "Mishra explica.
"Este é um assunto eletrizante nas conferências sobre água; ao longo dos anos, por meio de experimento e teoria, vários fatores e mecanismos concorrentes foram propostos, "diz Mishra. Estes incluem, por exemplo, a natureza dipolar da molécula de água; a transferência instantânea de carga entre as moléculas de água interfaciais e os hidrofóbicos; a dissolução do CO2 atmosférico na água; e a acumulação interfacial de íons intrínsecos de água (isto é, hidróxido e íons hidrônio).
Mishra e seus alunos se uniram a Carlos Santamarina para projetar experimentos elementares para desvendar o papel da água, seus íons e pH, hidrofobicidade das superfícies, e fatores ambientais, como umidade relativa e conteúdo de CO2.
Usando um capacitor de placa paralela, eles expuseram gotículas "pendentes" formadas por capilares hidrofóbicos que respondem a campos elétricos uniformes. A competição entre seu peso e a força elétrica inclinou as gotas pendentes, que revelou sua carga.
Superfícies hidrofóbicas (1) são intrinsecamente carregadas negativamente e, portanto, quando o capilar hidrofóbico (2) puxa água do reservatório de água (neutro), atrai seletivamente cátions (ou seja, íons carregados positivamente) que povoam a dupla camada elétrica (mostrada no encarte). Assim, quando o capilar (3) é puxado para fora do reservatório de água, ele carrega água com uma carga líquida positiva, deixando para trás uma carga igual e oposta no reservatório de água. Quando a água é dispensada (4), a hidrofobicidade garante que todo o volume de água seja expelido com o excesso de carga positiva. Crédito:Nauruzbayeva et al .; KAUST; Ivan Gromicho
Próximo, eles utilizaram um eletrômetro - capaz de medir cargas até alguns elétrons - para medir a carga dos reservatórios de água de onde as gotas foram retiradas. Eles descobriram que quando uma gota de água é retirada usando um capilar hidrofóbico, o reservatório de água adquire uma carga negativa igual e oposta. Este não é o caso quando você usa um capilar de vidro.
"A partir desses resultados experimentais, poderíamos deduzir que essas superfícies hidrofóbicas carregavam carga superficial negativa, mesmo no ar, o que é bastante contra-intuitivo, "explica Nauruzbayeva." Quando a superfície é inserida na água, íons positivos são atraídos em sua direção e íons negativos são repelidos. A hidrofobicidade garante que o líquido saia da superfície sem deixar uma película para trás. "
"Esta descoberta nasceu de uma compreensão profunda dos conceitos científicos combinados com elegância científica simples, "diz Santamarina. Mishra concorda concluindo que" a força da nossa contribuição está na sua simplicidade. "
