Uma minúscula gota de água está se movendo, ganhando velocidade enquanto desliza ao longo de um trecho fino, Terreno plano. Abruptamente, ela atinge um ponto áspero - o equivalente microscópico dos redutores de velocidade de vidro nos quais a gota se deposita e para de repente.

A gota parece estacionada, ancorado no lugar. Mas, ao contrário de suas contrapartes macro, esses mini redutores de velocidade são facilmente nivelados. Stephen Morin saberia; ele supervisionou sua construção. Assim, o químico da Universidade de Nebraska-Lincoln começa a esticar o material elástico em que estão sentados, suavizando o caminho, e lá vai a gota de novo, disparando pela superfície perfeitamente horizontal.

A façanha parar e ir é apenas uma das várias que o Grupo Morin revelou por meio de seu mais recente casamento de química e polímeros elásticos. Os frutos desse casamento? Controle sem precedentes sobre o transporte de gotículas microscópicas, potencialmente gerando novas abordagens para materiais autolimpantes, técnicas de captação de água e outras, tecnologias mais sofisticadas.

Central para a abordagem da equipe é o conceito de molhabilidade - se uma gota se forma ou se espalha em uma superfície, revelando essa superfície como hidrofóbica ou hidrofílica, respectivamente. Inspirado por algumas pesquisas pioneiras do início da década de 1990, Morin e seu laboratório começaram a criar gradientes de molhabilidade:superfícies cobertas por minúsculas "rampas" químicas que as tornam hidrofóbicas em uma extremidade, mas hidrofílicas na outra.

"Acontece que se você tem um padrão químico como esse, quando você coloca uma gota na extremidade hidrofóbica, este gradiente de molhabilidade irá conduzir a gota para o lado hidrofílico espontaneamente, "disse Morin, professor associado de química em Nebraska.

Embora seja um fenômeno interessante por si só, Morin e o doutorando Ali Mazaltarim queriam ver se eles poderiam adaptar esse transporte passivo em um ativo, processo dinâmico que se prestaria melhor às aplicações. Eles se voltaram para os tipos de materiais elásticos que a equipe de Morin tem revestido com padrões químicos desde 2015, se deve criar superfícies que refletem luz apenas quando esticadas ou filtrar partículas com base na forma.

Como costumava acontecer no passado, a equipe começou com um soft, filme de silicone flexível. Os pesquisadores estenderam o filme antes de tratá-lo com ozônio ultravioleta para produzir uma camada microscopicamente fina de sílica, o principal componente da maioria dos vidros. Eles então revestiram certas seções da sílica com densos matagais de moléculas repelentes de água; outras seções foram deixadas principalmente ou completamente vazias, criar um gradiente de molhabilidade que poderia conduzir as gotículas do hidrofóbico ao hidrofílico.

Ganhar algum controle em tempo real sobre o movimento dessas gotículas foi, então, uma questão simples e literal de deixar ir. O relaxamento do filme de silicone pré-esticado introduziu rugas na sílica, semelhante a como um band-aid colocado sobre o cotovelo de um braço dobrado enruga quando o braço é esticado. A equipe de Morin suspeitou que essas rugas poderiam apresentar aspereza suficiente para diminuir a velocidade das gotas, mesmo nos trechos hidrofóbicos da superfície.

Os experimentos confirmaram a hipótese:em seu ambiente totalmente relaxado, estado enrugado, os alongamentos hidrofóbicos podem interromper as quedas por completo; em seu totalmente tenso, estado suave, eles transportaram as gotas como normalmente fariam.

Desde então, os pesquisadores aprimoraram esse controle alongando e relaxando os filmes para iniciar e interromper as gotas a cada segundo. Eles até mostraram a capacidade de desafiar a gravidade, o transporte de gotas para cima tem inclinações mais íngremes do que as relatadas em pesquisas anteriores.

Rough riders

Whether, and how fast, a droplet will move depends in part on the severity of a wettability gradient. When the transition from hydrophobic to hydrophilic occurs over a short distance, the droplets speed across the surface; when that transition stretches over a longer distance, the droplets lumber at a slower pace. The "steeper" the gradient, em outras palavras, the greater the driving force and velocity of the droplets. Outros fatores, including droplet size, are well-known contributors, também.

But the team was also finding that its acceleration and braking systems depended not just on the presence of the microscopic speed bumps, but also their height and spacing, both of which seemed to be influencing droplet velocity. From a mathematical and theoretical standpoint, the team realized, the roughness of the surface wasn't getting its due.

To better understand and predict how roughness was affecting droplet transport, Morin and Mazaltarim incorporated the variable into a couple of equations that are traditionally used to quantify the phenomenon. After some tweaking and experimental verification, their resulting model predicted the specific roughness needed to slow or stop a droplet of any given size—along with the minimum size needed to overcome that roughness and other factors that resist a droplet's movement.

Este, por sua vez, allowed the team to craft surfaces that would transport larger droplets while leaving smaller ones in place, or trigger the departure of the latter only when stretching the elastic film beyond a certain threshold. And that, the team said, could prove useful in sorting different liquids for analytical or other purposes.

The ability of such a simple technique to yield such precise, predictable behavior makes it promising for a range of other applications, Morin said. The team has already illustrated its potential in self-cleaning materials by dirtying an elastic surface with metal dust, then stretching it to trigger a cascade of droplets that carried away all dust in their path. The harvesting of water for urban agriculture, livestock or potable water might benefit from a similar approach.

"You could imagine fabrics where you collect droplets at one section, " Morin said, "and then you actuate the surface, which then drives them to some sort of a storage container."

There's also the possibility of expanding on the functionality of materials that are designed to remove sweat from skin or droplets from other surfaces. The latter could potentially help cool energy-generating systems that produce sizable amounts of heat.

"A lot of research in that area focuses on hydrophobic and superhydrophobic surfaces that have unique heat-exchange properties, " Morin said. "One could use the evaporative cooling effect of sweat as inspiration. But we imagine a more active system, where you're literally using a droplet to collect heat and then actively moving it somewhere else to remove that heat.

"That's a good thing if you're actively trying to cool any sort of a device. This just presents a new way of achieving that type of outcome."

Further down the line, Morin sees promise for calibrating the technique to transport droplets in two dimensions rather than just one. Managing that, ele disse, could make it a viable alternative in so-called lab-on-a-chip technologies that direct, mix and then analyze microscopic samples of liquids.

"We have the ability to really dial in the properties of the gradients and how they couple to the micro-texture of the surface, " Morin said. "So I think there's a lot of leeway in terms of how you design the system to get a specific performance outcome."

The team reported its findings in the journal Nature Communications .