Abismos microscópicos formando um mar de picos cônicos irregulares pontilham a superfície de um material chamado silício preto. Embora seja comumente encontrado na tecnologia de células solares, o silício preto também funciona como uma ferramenta para estudar a física de como as gotas de água se comportam.



O silício preto é um material superhidrofóbico, o que significa que repele a água. Devido às propriedades únicas de tensão superficial da água, as gotículas deslizam através de materiais texturizados como o silício preto, passando por uma fina camada de película de ar presa abaixo. Isso funciona muito bem quando as gotas se movem lentamente – elas escorregam e deslizam sem problemas.

Mas quando a gota se move mais rápido, alguma força desconhecida parece puxar sua parte inferior. Isto deixou os físicos perplexos, mas agora uma equipa de investigadores da Universidade Aalto e da ESPCI Paris tem uma explicação e números que a apoiam.

A professora assistente da Universidade Aalto, Matilda Backholm, é a primeira autora do artigo que detalha essas descobertas, publicado em 15 de abril no Proceedings of the National Academy of Sciences. . Ela conduziu isso durante seu tempo como pesquisadora de pós-doutorado no grupo de matéria mole e umedecimento do professor Robin Ras no Departamento de Física Aplicada.

"Ao observar as interações água-superfície, normalmente há três forças em jogo:fricção na linha de contato, perdas viscosas e resistência do ar. No entanto, há uma quarta força que surge do movimento de gotículas em superfícies altamente escorregadias como o silício preto. Na verdade, este movimento cria um efeito de cisalhamento no ar preso abaixo, resultando em uma força semelhante a um arrasto na própria gota. Essa força de cisalhamento nunca foi explicada antes, e somos os primeiros a identificá-la", diz Backholm.

As complexas interações da física dos fluidos e da matéria mole são difíceis de simplificar em fórmulas simples. Mas Backholm conseguiu desenvolver uma tecnologia para medir estas pequenas forças, explicar como a força funciona e, finalmente, fornecer a solução para eliminar completamente a força de arrasto.

Efeito de corte de ar

A criação de melhores superfícies superhidrofóbicas tornaria os sistemas de transporte mundiais mais aerodinâmicos, os dispositivos médicos mais estéreis e, em geral, melhoraria o escorregamento de qualquer coisa que exija uma superfície repelente a líquidos.

O silício preto explora a tensão superficial específica da água para minimizar o contato entre a gota e a superfície. Cones gravados no substrato fazem as gotas de água deslizarem sobre uma lacuna de película de ar, conhecida como plastrão. Mas, numa reviravolta contra-intuitiva, o próprio mecanismo que permite às superfícies hidrofóbicas desviarem as gotas de água também leva ao efeito de cisalhamento descrito no artigo de Backholm.

“O campo tem feito essas superfícies ultra escorregadias, reduzindo a escala de comprimento dos cones para torná-los menores e mais abundantes. Mas ninguém parou para perceber:'Ei, na verdade estamos trabalhando contra nós mesmos aqui.' Na verdade, gravar cones mais curtos na superfície preta do silício leva a um maior efeito de cisalhamento do ar", diz Backholm.

Outros pesquisadores notaram a existência desta força, mas não conseguiram explicá-la. As descobertas de Backholm levam a uma reconsideração da forma como as superfícies ultra escorregadias são projetadas. A solução alternativa de sua equipe foi adicionar cones mais altos com tampas texturizadas na superfície de silício preto para minimizar ainda mais a área total da superfície de contato das gotículas.

"Este trabalho baseia-se na riqueza de experiência do grupo de pesquisa Soft Matter and Wetting no assunto de superfícies superhidrofóbicas. Raramente surge a oportunidade de explicar completamente as sutilezas das forças microscópicas envolvidas na dinâmica de umedecimento, mas este artigo consegue exatamente isso, ", diz Ras.

Técnica especializada

Backholm adaptou uma técnica exclusiva de medição por micropipeta para medir as forças que atuam contra as gotas de água. Ela é especialista nesses sensores de força de micropipetas, tendo-os usado para medir a dinâmica de crescimento das raízes das plantas, o comportamento de natação de enxames mesoscópicos de camarões e agora na observação das forças nas gotas de água em movimento.

Através de um árduo ajuste fino, ela conseguiu usar essa técnica para fazer um avanço na identificação do efeito de cisalhamento. Backholm oscilou a gota e a sonda para detectar as forças sutis que o puxavam por baixo.

“Também descartamos a possibilidade de que existam outras forças em jogo na linha de contato, executando esses mesmos testes em gotículas carbonatadas. Essas gotículas emitem constantemente dióxido de carbono, fazendo com que levitem ligeiramente acima das superfícies em que estão assentadas. Mesmo assim, o efeito de cisalhamento foi medido em certas velocidades, confirmando em última análise que esta força atua independentemente do seu contato com a superfície preta do silício”, diz Backholm.

Backholm espera que essas descobertas permitam ainda mais que físicos e engenheiros desenvolvam superfícies hidrofóbicas com melhor desempenho.

Mais informações: Matilda Backholm et al, Rumo ao desaparecimento da fricção de gotículas em superfícies repelentes, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2315214121
Informações do diário: Anais da Academia Nacional de Ciências

Fornecido pela Universidade Aalto