Um novo sistema desenvolvido por engenheiros do MIT poderia tornar possível controlar a forma como a água se move sobre a superfície, usando apenas luz. Crédito:Jose-Luis Olivares / MIT
Um novo sistema desenvolvido por engenheiros do MIT poderia tornar possível controlar a forma como a água se move sobre a superfície, usando apenas luz. Este avanço pode abrir a porta para tecnologias como dispositivos de diagnóstico microfluídico cujos canais e válvulas podem ser reprogramados em tempo real, ou sistemas de campo que podem separar a água do petróleo em uma plataforma de perfuração, dizem os pesquisadores.
O sistema, relatado no jornal Nature Communications , foi desenvolvido pelo professor associado de engenharia mecânica do MIT Kripa Varanasi, Professor da Escola de Engenharia de Ensino de Inovação Gareth McKinley, ex-pós-doutorado Gibum Kwon, estudante de graduação Divya Panchanathan, ex-cientista pesquisador Seyed Mahmoudi, e Mohammed Gondal, da Universidade King Fahd de Petróleo e Minerais, na Arábia Saudita.
O objetivo inicial do projeto era encontrar maneiras de separar o óleo da água, por exemplo, para tratar a mistura espumosa de água salgada e petróleo bruto produzida em certos poços de petróleo. Quanto mais completamente essas misturas são mescladas - quanto mais finas são as gotas - mais difícil é sua separação. Às vezes, métodos eletrostáticos são usados, mas eles consomem muita energia e não funcionam quando a água é altamente salina, como costuma acontecer. Em vez de, a equipe explorou o uso de superfícies "fotorresponsivas", cujas respostas à água podem ser alteradas pela exposição à luz.
Ao criar superfícies cujas interações com a água - uma propriedade conhecida como molhabilidade - podem ser ativadas pela luz, os pesquisadores descobriram que podiam separar diretamente o óleo da água, fazendo com que gotículas individuais de água se aglutinassem e se espalhassem pela superfície. Quanto mais as gotas de água se fundem, mais eles se separam do óleo.
Materiais fotorresponsivos têm sido amplamente estudados e usados; um exemplo é o ingrediente ativo na maioria dos protetores solares, dióxido de titânio, também conhecido como titânia. Mas a maioria desses materiais, incluindo titânia, respondem principalmente à luz ultravioleta e quase não à luz visível. No entanto, apenas cerca de 5 por cento da luz solar está na faixa ultravioleta. Então, os pesquisadores descobriram uma maneira de tratar a superfície do titânia para torná-la responsiva à luz visível.
Eles fizeram isso usando primeiro uma técnica de deposição camada por camada para construir um filme de partículas de titânia ligadas a polímero em uma camada de vidro. Em seguida, eles mergulharam o material com um corante orgânico simples. A superfície resultante revelou-se altamente responsiva à luz visível, produzindo uma mudança na molhabilidade quando exposta à luz solar que é muito maior do que a do próprio titânia. Quando ativado pela luz solar, o material provou ser muito eficaz na "demulsificação" da mistura óleo-água - fazendo com que a água e o óleo se separassem um do outro.
“Fomos inspirados pelo trabalho em energia fotovoltaica, onde a sensibilização por corante foi usada para melhorar a eficiência de absorção da radiação solar, "diz Varansi." O acoplamento do corante às partículas de titânia permite a geração de portadores de carga sob iluminação de luz. Isso cria uma diferença de potencial elétrico a ser estabelecida entre a superfície e o líquido após a iluminação, e leva a uma mudança nas propriedades de umedecimento. "
"A água salina se espalha em nossa superfície sob iluminação, mas o óleo não, "diz Kwon, que agora é professor assistente na Universidade de Kansas. "Descobrimos que praticamente toda a água do mar se espalhará na superfície e será separada do petróleo bruto, sob luz visível. "
O mesmo efeito também pode ser usado para impulsionar gotas de água em uma superfície, como a equipe demonstrou em uma série de experimentos. Ao alterar seletivamente a molhabilidade do material usando um feixe de luz em movimento, uma gota pode ser direcionada para a área mais molhada, impulsionando-o em qualquer direção desejada com grande precisão. Esses sistemas podem ser projetados para fazer dispositivos microfluídicos sem fronteiras ou estruturas embutidas. O movimento do líquido - por exemplo, uma amostra de sangue em um laboratório de diagnóstico em um chip - seria inteiramente controlado pelo padrão de iluminação sendo projetado nele.
"Ao estudar sistematicamente a relação entre os níveis de energia do corante e a molhabilidade do líquido em contato, criamos uma estrutura para o projeto desses sistemas de manipulação de líquidos guiados por luz, "Diz Varanasi." Ao escolher o tipo certo de corante, podemos criar uma mudança significativa na dinâmica das gotas. É um movimento induzido pela luz - um movimento sem toque de gotículas. "
A molhabilidade comutável dessas superfícies tem outro benefício:elas podem ser amplamente autolimpantes. Quando a superfície é alterada de atraente para água (hidrofílica) para repelente de água (hidrofóbica), qualquer água na superfície é expelida, carregando consigo quaisquer contaminantes que possam ter se acumulado.
Uma vez que o efeito fotorresponsivo é baseado no revestimento de tinta, ele pode ser altamente ajustado selecionando-se entre os milhares de corantes orgânicos disponíveis. Todos os materiais envolvidos no processo estão amplamente disponíveis, barato, materiais de commodities, os pesquisadores dizem, e os processos para fazê-los são comuns.