p Muitas superfícies naturais podem liberar gotas de água rapidamente devido à sua funcionalidade repelente de água. Em 1945, os cientistas Cassie e Baxter associaram a função repelente de água das superfícies naturais às texturas de suas superfícies. O uso de texturas de baixa fração sólida (denotado Φ _s ) é, portanto, um princípio fundamental para projetar superfícies impermeáveis. Nesse trabalho, Lin Wang e uma equipe de cientistas em ciência dos materiais, engenharia biomédica e engenharia mecânica na Pennsylvania State University, Os EUA reduziram o tempo de contato de gotículas saltando em superfícies de alta fração de sólidos (ou seja, Φs ~ 0,25 a 0,65), reduzindo o tamanho da textura da superfície para a nanoescala. Eles mostraram como superfícies de alta fração sólida com um tamanho de textura abaixo de 100 nanômetros poderiam reduzir o tempo de contato das gotas saltando em aproximadamente 2,6 milissegundos (ms) em comparação com um tamanho de textura acima de 300 nm. A textura e a redução do tempo de contato dependente do tamanho observada em superfícies sólidas é o primeiro resultado do estudo em relação às teorias existentes sobre a molhabilidade da superfície. Wang et al. creditaram a redução no contato de gotículas em superfícies em nanoescala à tensão da linha de contato trifásica dominante. Com base em experimentos de estabilidade de pressão, a equipe mostrou ainda como as frações sólidas da superfície foram bioinspiradas por insetos que podem suportar o impacto das gotas de chuva. Os resultados agora são publicados em Avanços da Ciência . p Superfícies em nanoescala têm diversos papéis em organismos biológicos com importância para a sobrevivência de insetos, exemplos incluem propriedades anti-reflexo de olhos de mariposa, propriedades anti-embaciamento dos mosquitos, técnicas de autolimpeza da cigarra e anti-biofouling da libélula. O rápido desprendimento das gotas de chuva nos insetos voadores também é fundamental para sua sobrevivência. Por exemplo, a duração do impacto das gotas de chuva nos mosquitos foi de aproximadamente 0,5 a 10 ms; um período de combinação de mecanismos ativos e passivos de liberação de gotículas. Plantas e asas de borboleta também podem manter padrões de microescala para quebrar o impacto das gotículas em pedaços menores para reduzir o tempo de contato das gotículas. Contudo, os cientistas de materiais ainda precisam entender como a alta fração de sólidos e as texturas em nanoescala das superfícies dos insetos repelentes de água podem causar o rápido desprendimento das gotas de chuva no impacto. Para explorar os efeitos do tamanho da textura e as interações líquido-sólido, Wang et al. projetou uma série de bioinspirados, superfícies texturizadas parecidas com insetos, revestiu-os com uma monocamada de silano para induzir a hidrofobicidade da superfície (natureza que odeia água) e conduziu uma série de experimentos.

p Medir o tempo de contato de gotas saltando em superfícies texturizadas

p Durante os experimentos, a equipe manteve o estado Cassie-Baxter (umedecimento de superfície heterogêneo) com as gotas do líquido de teste e comparou o tempo de contato das gotas de água saltando em superfícies texturizadas. Superfícies com um tamanho de textura menor que 300 nm mostraram diminuição do tempo de contato para gotas que saltam. A redução do contato de gotículas em superfícies sólidas, dependente do tamanho da textura, foi o primeiro em estudo em comparação com as teorias de umidificação de superfície existentes.

p Em teoria, o tempo de contato pode ser previsto em relação à densidade e à tensão superficial da água. Quando uma gota de líquido impactou uma superfície texturizada, ele se espalhou até um diâmetro máximo e se retraiu da superfície como uma "mola líquida". Em superfícies com textura de baixa fração sólida, a tensão interfacial líquido-ar da gota dominou a constante da mola líquida. Enquanto isso, quaisquer contribuições de interações líquido-sólido podem ser ignoradas. Contudo, os cientistas não podiam ignorar as interações líquido-sólido em superfícies texturizadas com alta fração sólida onde Φ _s igualou 0,44, devido à energia adicional resultante da formação de linhas de contato trifásicas abaixo das gotículas para influenciar suas energias de salto. Por esta, Wang et al. considerada a tensão da linha de contato trifásica (τ), introduzido pela primeira vez por Gibbs na década de 1870, onde as medições experimentais de τ dependeram do sistema específico sob investigação.

p Cinemática de gotas saltando em superfícies texturizadas e a estabilidade de pressão das superfícies

p Para entender melhor a redução no tempo de contato de gotículas que impactam superfícies em nanoescala, Wang et al. investigou a cinemática de gotas saltando com base em processos de espalhamento e retração. Embora as velocidades de propagação das gotículas sejam semelhantes em superfícies diferentes, durante a fase de retração, as gotas demoraram mais para retrair totalmente das superfícies com frações sólidas mais altas. O trabalho mostrou como o aumento da fração sólida, portanto, aumenta o tempo de retração. Por exemplo, uma gota em uma superfície de silício preto superhidrofóbico poderia retrair a uma velocidade consistente para que as gotas retrocedessem no ritmo mais rápido possível. Inesperadamente, Portanto, Wang et al. observou comportamento de salto super-hidrofóbico em texturas de superfície de 100 nm com uma fração sólida de 0,44

p Para entender o resultado, os cientistas desenvolveram um método para quantificar a histerese do ângulo de contato medindo sistematicamente o ângulo de contato de avanço e recuo em superfícies projetadas. Superfícies com uma fração sólida mais alta tiveram retração de gota atrasada, notavelmente desviando-se do comportamento de salto super-hidrofóbico pretendido. Portanto, foi interessante entender por que as superfícies de insetos repelentes de água não adotam texturas com uma fração sólida inferior para eliminar a água de forma mais eficaz. Por esta, Wang et al. investigou a estabilidade de pressão de superfícies texturizadas contra gotas de impacto quando gotas de água que impactam uma superfície sólida sofreram dois modos de pressão de impacto. O primeiro modo era a pressão do martelo de água na superfície de contato líquido-sólido e o segundo modo era a pressão dinâmica no estágio de espalhamento. A equipe, portanto, mostrou que a alta fração sólida é um requisito importante para os insetos resistirem à pressão do impacto das gotas de chuva, a fim de eliminá-las completamente.

p Desta maneira, Lin Wang e seus colegas mostraram como as texturas em nanoescala em superfícies altamente sólidas reduziram o tempo de contato das gotas saltando pela primeira vez. Os resultados revelaram uma estratégia sem precedentes para reduzir o tempo de contato das gotas que saltam em superfícies sólidas. A equipe alcançou um comportamento de salto super-hidrofóbico em superfícies de alta fração sólida (Φ _s =0,44) com um tamanho de textura em nanoescala de aproximadamente 100 nm. As descobertas lançam luz sobre como os insetos escapam do impacto de alta velocidade das gotas de chuva. O estudo fornece evidências experimentais para a necessidade de texturas de alta função sólida, a fim de conter a pressão de impacto das gotas de chuva. Tecnicamente, um material texturizado em nanoescala compacto que pode repelir o impacto de alta velocidade de gotículas de líquido com tempo de contato reduzido terá uma gama de aplicações para facilitar o equipamento de proteção pessoal resistente a incrustação, para robôs voadores do tamanho de insetos e drones miniaturizados. p © 2020 Science X Network