Quando se trata de projetar superfícies extremamente repelentes de água, forma e tamanho são importantes. Essa é a descoberta de um grupo de cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven, do Departamento de Energia dos EUA, que investigou os efeitos de formas diferentes, texturas em nanoescala sobre a capacidade de um material de forçar as gotas de água a rolarem sem molhar sua superfície. Essas descobertas e os métodos usados ​​para fabricar tais materiais foram publicados online em 21 de outubro de 2013, no Materiais avançados - são altamente relevantes para uma ampla gama de aplicações onde a resistência à água é importante, incluindo geração de energia e transporte.

"A ideia de que texturas microscópicas podem conferir a um material com propriedades repelentes de água tem suas origens na natureza, "explicou o físico e autor principal de Brookhaven Antonio Checco." Por exemplo, as folhas das plantas de lótus e os exoesqueletos de alguns insetos têm texturas em escala minúscula projetadas para repelir a água prendendo o ar. Está Propriedade, chamado de 'superhidrofobicidade' (ou ódio da super-água), permite que as gotas de água rolem facilmente, carregando partículas de sujeira junto com eles. "

Imitar este mecanismo de autolimpeza da natureza é relevante para uma ampla gama de aplicações, como não incrustantes, anti-gelo, e revestimentos antibacterianos. Contudo, superfícies super-hidrofóbicas projetadas frequentemente falham em condições que envolvem alta temperatura, pressão, e umidade - como pára-brisas automotivos e de aeronaves e geradores de energia de turbinas a vapor - quando o ar preso na textura pode estar sujeito a escapar. Portanto, os cientistas têm procurado esquemas para melhorar a robustez dessas superfícies, retardando ou evitando o escape de ar.

Criação de texturas em nanoescala

"Em princípio, a alta robustez necessária para várias aplicações pode ser alcançada com recursos de textura tão pequenos quanto 10 nanômetros (bilionésimos de um metro) porque a pressão necessária para o líquido se infiltrar na textura e forçar a saída do ar aumenta dramaticamente com o tamanho da textura encolhendo, "explicou Checco." Mas, na prática, é difícil encolher os recursos de textura da superfície enquanto mantém o controle sobre sua forma. "

"Para este trabalho, desenvolvemos uma abordagem de fabricação baseada na automontagem de nanoestruturas, o que nos permite controlar com precisão a geometria da textura da superfície em uma área tão grande quanto quisermos - em princípio, mesmo tão grande quanto metros quadrados, "Checco disse.

O procedimento para criar essas superfícies nanoestruturadas superhidrofóbicas, desenvolvido em colaboração com cientistas do Centro de Nanomateriais Funcionais de Brookhaven (CFN), aproveita a tendência dos materiais de "copolímero em bloco" de se auto-organizarem espontaneamente por meio de um mecanismo conhecido como separação de microfases. O processo de automontagem resulta em filmes finos de polímero com alta uniformidade, dimensões ajustáveis ​​de 20 nanômetros ou menores. A equipe usou esses filmes de polímero nanoestruturados como modelos para criar superfícies nanotexturadas, combinando com métodos de processamento de filme fino mais comumente usados ​​na fabricação de dispositivos eletrônicos, por exemplo, decapando seletivamente partes da superfície para criar designs texturizados.

"Esta nova abordagem aproveita nossos métodos de processamento de filme fino, a fim de adaptar com precisão a geometria da nanotextura de superfície por meio do controle das condições de processamento, "disse o físico e co-autor de Brookhaven Charles Black.

O efeito da forma

Os cientistas criaram e testaram novos materiais com diferentes texturas em nanoescala - alguns decorados com minúsculos pilares cilíndricos de lados retos e alguns com cones de lados angulares. Eles também foram capazes de controlar o espaçamento entre esses recursos em nanoescala para alcançar uma repelência à água robusta.

Depois de revestir seus materiais de teste com uma película fina de material semelhante a cera, os cientistas mediram como as gotas de água rolaram de cada superfície conforme eram inclinadas da vertical para a posição plana e compararam o comportamento com o de sólidos não texturizados.

"Embora tenhamos fabricado várias nanotexturas diferentes que aumentaram significativamente a repelência à água, certas formas têm um desempenho diferente de outras, "disse o físico e co-autor de Brookhaven Atikur Rahman. A repelência à água aprimorada foi consistente com estudos anteriores, incluindo um anterior de Checco e colaboradores que mostrou que bolhas de ar presas nas superfícies texturizadas forçam a água a se formar em gotas. Contudo, no estudo atual, a equipe mostrou ainda que as nanoestruturas em forma de cone são significativamente melhores do que os pilares cilíndricos para forçar as gotas de água a rolar para fora da superfície, mantendo assim as superfícies secas.

“No caso dos pilares cilíndricos, conforme a linha de contato da gota recua na superfície texturizada, pode ficar preso à nanotextura, deixando para trás uma camada de líquido microscópico na parte superior plana dos pilares em vez de um substrato perfeitamente seco, "Checco disse." As estruturas em forma de cone são menores, pontas pontiagudas, provavelmente prevenindo esse efeito. "

A outra descoberta importante foi que a capacidade de repelir água da nanotextura em forma de cone se manteve mesmo quando gotas de água foram borrifadas na superfície com uma seringa de pressurização. Essa pressão pode potencialmente forçar a água nas marcas de nano entre os pilares cônicos ou cilíndricos, deslocando as bolhas de ar e destruindo o efeito repelente de água.

Os cientistas monitoraram as gotas espirrando usando uma câmera de alta velocidade capaz de capturar 30, 000 quadros por segundo. Para a superfície com textura de cone, "As gotículas pulverizadas espirram e ejetam gotículas de satélite que se espalham radialmente para fora, enquanto a parte mais central da gota original se achata, então recua, e rebate na superfície, "Disse Checco." Não observamos nenhuma queda presa no ponto de impacto após a queda ter voltado, indicando que a superfície permanece repelente à água durante o impacto a velocidades de até 10 metros por segundo, que é mais rápido do que a velocidade de uma gota de chuva caindo. "

Próximos passos

A equipe está trabalhando para estender essa técnica a outros materiais, incluindo vidro e plásticos, e na fabricação de superfícies que também são repelentes de óleo, aprimorando ainda mais a forma do recurso.

Eles também estão estudando a resistência de diferentes nanotexturas à penetração de água usando intensos feixes de raios-x disponíveis na National Synchrotron Light Source (NSLS) de Brookhaven. "O objetivo é entender quantitativamente como a infiltração forçada de líquido depende do tamanho e da geometria da textura. Isso ajudará no projeto de revestimentos super-hidrofóbicos ainda mais resilientes, "Checco disse.

A técnica de nanopadronização usada neste estudo também permite o projeto de uma ampla variedade de materiais com diferentes texturas - e, portanto, diferentes propriedades de repelência de água - em diferentes partes de uma única superfície. Essa abordagem pode ser usada, por exemplo, para fabricar canais em nanoescala com propriedades de autolimpeza e baixa fricção de fluido para aplicações de diagnóstico, como detecção da presença de DNA, proteínas, ou biotoxinas.

"Este resultado é um excelente exemplo do tipo de projeto que pode ser feito em colaboração com os Centros de Pesquisa Científica em Nanoescala do DOE, "disse Black." Anteriormente, temos buscado estruturas semelhantes para um propósito científico totalmente diferente. Estamos felizes em trabalhar com Antonio por meio do programa Usuário CFN para ajudá-lo a cumprir seus objetivos de pesquisa. "