FICHA DE REFERÊNCIA DO ALUNO RELATIVA À EXPERIÊNCIA D: MATERIAIS SUPER-HIDRÓFOBOS

(1)

Página 1 de 8

A investigação conducente a estes resultados foi financiada pelo Sétimo Programa-Quadro da Comunidade Europeia (FP7/2007-2013) ao abrigo do contrato de subvenção n° 233433

Figura 1. Medição estática do ângulo de contacto de

uma gota de água pousada numa superfície sólida plana. (Autoria da imagem: iNANO, Universidade de Aarhus, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0)

FICHA DE REFERÊNCIA DO ALUNO RELATIVA À EXPERIÊNCIA D:

MATERIAIS SUPER-HIDRÓFOBOS

O objectivo desta experiência é analisar alguns materiais inovadores que são altamente hidrófugos, resistentes às nódoas e exigem menos limpeza graças à nanomodificação da sua superfície. Estes materiais foram desenvolvidos, tendo por inspiração a Natureza, pois certas folhas de plantas possuem propriedades excepcionais mercê da sua composição superficial. A propriedade que é aqui analisada é o

efeito super-hidrófobo existente em determinadas folhas, como a folha de lótus. O efeito deve-se à

interacção entre a química superficial e a topografia superficial ao nível micro e nano. Nesta experiência, vai:

- estudar e testar as propriedades de uma folha de lótus (ou outro tipo, a folha das chagas, que possui propriedades semelhantes);

- conhecer nanomateriais funcionais que foram modificados à nano-escala para se tornarem super-hidrófobos: uma rodela de sílica porosa em estudo na iNANO (a análise é realizada através do visionamento de um vídeo); e um tecido (da Nano-Tex, Inc.). Vai testar o tecido Nano-Tex® para verificar o seu desempenho quando comparado com um retalho de algodão normal e quando comparado com uma folha de lótus.

Neste documento, dar-lhe-emos informação de referência para esta experiência: analisaremos alguns conceitos fundamentais das propriedades superficiais e, em seguida, veremos a que ponto os materiais naturais podem tornar-se inspiradores de alguns novos materiais avançados que repelem integralmente a água!

1. PROPRIEDADE SUPERFICIAIS

As propriedades superficiais de um material estão, em larga medida, ligadas com espécies químicas presentes na superfície. Uma propriedade superficial muito importante é o seu comportamento à molhagem, isto é, de que modo a água interage com a superfície. Esta propriedade está associada aos grupos terminais das moléculas no interface da superfície que pode ser hidrófila (“amiga da água”) ou hidrófoba (“inimiga da água”). Pense no que

(2)

Página 2 de 8

Figura 2. Um goniómetro do ângulo de contacto com capacidades de medição digital. (Autoria das

imagens: iNANO, Universidade de Aarhus, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0)

acontece quando deita óleo na água – o óleo tende a aglomerar-se, formando uma gota grossa e pairando à superfície da água. Isto deve-se ao facto de a água ser hidrófila mas de o óleo ser hidrófobo. Os dois líquidos procuram minimizar o contacto entre si.

Um dos métodos de quantificar o comportamento à molhagem de uma superfície é medir o seu ângulo de contacto (AC). O ângulo de contacto é o ângulo a que um interface líquido/vapor entra em contacto com a superfície sólida, como se ilustra na Figura 2. O ângulo de contacto fornece informação sobre a energia de interacção entre a superfície e o líquido.

O ângulo de contacto θ pode ser medido, usando um instrumento chamado goniómetro do ângulo de contacto. Trata-se de uma medição estática dos ângulos de contacto. Uma gota de água é depositada na superfície em estudo e o ângulo θ é medido manual ou digitalmente, com instrumentos modernos, captando uma imagem digital e usando software dedicado.

As superfícies podem classificar-se de acordo com o seu ângulo de contacto, como ilustra a tabela seguinte.

Valor do ângulo de contacto

Tipo de superfície Exemplo

~0 Super-hidrófila TiO2 irradiado por luz UV

< 30 Hidrófila Vidro

30-90 Intermédia* Alumínio

90-140 Hidrófoba Plástico

140> Super-hidrófoba Folha de lótus * Se o valor for até 30, define-se como hidrófila, se for até 90, define-se como hidrófoba

Hidrófilo significa “amigo da água” e hidrófobo significa “inimigo da água”. Quanto maior for o ângulo de contacto, mais hidrófoba é uma superfície. Pense no que acontece quando deita água num pedaço de vidro: a gota de água dispersar-se-á por todo o vidro e o ângulo de contacto terá um valor próximo de 0°. A gota de água ficará tão plana que a medição do AC é inclusivamente difícil.

(3)

Página 3 de 8

Figura 3. Dois exemplos de materiais naturais que exibem

o efeito lótus: (direita) um alfaiate (Imagem: Izabela Raszkova, Wiki commons, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0); (esquerda): uma folha de lótus (Autoria da imagem: iNANO, Universidade de Aarhus, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0).

Na maioria das superfícies hidrófilas, as gotas de água mostrarão ângulos de contacto entre 0° e 30°. Se a gota for colocada em sólidos menos acentuadamente hidrófilos, como um pedaço de metal, terá uma ângulo de contacto que pode ir aos 90° ou mais, dependendo do material. As superfícies altamente hidrófilas têm ângulos de contacto com a água que podem ascender aos 150° ou até quase aos 180°. Estas superfícies denominam-se super-hidrófobas. Nestas superfícies, as gotas de água pousam simplesmente na superfície, sem realmente a molharem de modo significativo.

As superfícies com nano-estruturas tendem a ter ângulos de contacto muito elevados que podem atingir o nível super-hidrófobo. Pode compreender-se este aspecto imaginando que uma superfície com nano-rugosidade é formada por uma série de pilares muito pequenos. Quando uma gota pousa neste “tapete de pilares”, está em contacto com uma grande fracção de ar. Se pensarmos no caso ideal de uma única gota de água no ar, ela terá uma forma totalmente esférica (θ = 180). No caso de uma gota de água numa superfície com uma grande fracção de ar, quanto maior for esta fracção, mais perto chegamos desta situação “ideal”.

2. APRENDER COM A NATUREZA: O LOTUS EFFECT®

Os cientistas dos materiais usam há muito produtos

químicos diferentes para alterar as propriedades de várias superfícies. Pense num utensílio de cozinha em metal, como um tacho: é acrescentada à superfície de metal do tacho uma camada de Teflon, que é um tipo de plástico, para torná-la anti-aderente.

Contudo, a química superficial só pode ser usada para criar superfícies hidrófobas. Para atingir o estado super-hidrófobo, é necessário inserir topografia na superfície, como um micro ou nanopadrão.

A super-hidrofobicidade é uma propriedade superficial existente na Natureza, por exemplo, em algumas folhas, como na folha de lótus, e em alguns animais, como nas pernas dos alfaiates.

(4)

Página 4 de 8

Figura 4. (Esquerda) Chagas (Autoria

da imagem: Wiki commons, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0) e (direita) uma gota de água pousada na superfície de uma folha de chagas. (Autoria da imagem: A. Otten e S. Herminghaus, Göttingen, Alemanha, Rede NISE, reproduzida sob os termos e condições da rede NISE).

Como funciona?

A planta de lótus (Nelumbo Nucifera) é uma planta nativa da Ásia que tem a propriedade distintiva de ter as folhas particularmente limpas mesmo quando o seu habitat natural é lamacento. Por esta razão, é considerada um símbolo de pureza. As folhas da planta de lótus possuem a característica excepcional de repelirem completamente a água porque são super-hidrófobas. A consequência é que as gotas de água rolam da superfície da folha e, ao fazerem-no, arrastam consigo a sujidade. Este efeito, chamado de “autolimpeza”, torna a folha de lótus limpa e resistente à sujidade. Verifica-se o mesmo efeito noutras folhas como as das chagas e de algumas Canas.

De que modo isto é nano?

A análise VEM pormenorizada das folhas que possuem o efeito lótus tem revelado a presença de nanocristais de cera na superfície da folha. Estes cristais proporcionam uma membrana hidrófuga que é reforçada pela rugosidade da superfície, transformando-a numa superfície super-hidrófoba, com um ângulo de contacto de cerca de 150. O resultado é que as gotas de água que interagem com essa folha estão em contacto com uma grande fracção de ar. Isto força a água a formar contas e a rolar para fora. A imagem seguinte mostra a ampliação progressiva de uma folha de chagas. Na última imagem da direita, são mostrados nanocristais com poucas dezenas de nanómetros.

(5)

Página 5 de 8

A B C D

Figura 6. (Em cima) Diagrama que sintetiza a ligação entre

rugosidade e autolimpeza: na imagem superior uma gota de água remove sujidade de uma superfície graças ao Efeito Lótus (em baixo): Representação gráfica de contaminantes e gotas de água numa folha de lótus (Autoria da imagem: de William Thielike, Wiki Commons, Creative Commons ShareAlike 3.0.)

Figura 5. Planos aproximados da ampliação progressiva de uma folha de chagas, revelando a presença de

nanocristais superficiais (última imagem da direita). (Autoria da imagem (A): A. Snyder, Exploratorium; (B, C): A. Marshall, Universidade de Stanford, (D): A. Otten e S. Herminghaus, Göttingen, Alemanha. Todas as imagens são material pertencente à rede NISE, reproduzidas sob os termos e condições da rede NISE.

Os contaminantes na superfície (geralmente maiores do que a estrutura celular das folhas) repousam nas pontas da superfície rugosa. Quando uma gota de água rola sobre o contaminante, remove a partícula da superfície da folha (Figura 6).

(6)

Página 6 de 8

OS NOVOS MATERIAIS AVANÇADOS E SUAS APLICAÇÕES

O Lotus Effect® tem sido uma inspiração para vários materiais inovadores, designadamente tintas, revestimentos e têxteis. A percepção de que certas propriedades superficiais podem induzir a repelência à água é importante em numerosas aplicações. Os cientistas dos materiais estão agora a modificar inúmeros tipos de materiais para torná-los super-hidrofóbicos. As principais áreas de aplicação são: - Revestimentos compatíveis com o ambiente e têxteis que repelem a sujidade e exigem menos limpeza. Incluem-se aqui materiais como tintas para fachadas, têxteis (incluindo vestuário pessoal) e revestimentos sanitários. Em todos estes materiais, a vantagem acrescida é que é necessária menos limpeza (e logo menos detergentes e águas residuais), com os consequentes benefícios para o ambiente. - Melhoria do desempenho de células celulares (aplicação no campo energético). Um dos problemas com esta tecnologia é que os equipamentos são instalados ao ar livre e podem, por conseguinte, ficar extremamente sujos. Esta camada de sujidade “escamoteia” as áreas catalíticas das células solares e reduz, portanto, a sua eficiência e durabilidade. Dotando o painel solar de um revestimento super-hidrófobo, aquele é mantido consideravelmente mais limpo. Graças à rugosidade da nano-estrutura, o revestimento é transparente à luz ultravioleta, o que é uma necessidade nestes tipos de dispositivos. O revestimento super-hidrófobo é igualmente durável, o que reforça ainda mais o tempo de serviço do painel solar.

Estes não são os únicos campos de aplicação. Outro importante campo é o sector da nanomedicina, em que são usadas superfícies super-hidrófobas nanomodificadas para melhorar a tecnologia microarray.

PRODUTOS EXAMINADOS NESTE EXERCÍCIO LABORATORIAL:

1. NANO-TEX®.

Existem muitos exemplos em que evitar que uma superfície se molhe é uma vantagem, como por exemplo nos têxteis, que são normalmente manchados por líquidos (sumos, café, etc.) e por sólidos (mostarda, molho de tomate, etc.). Algumas empresas como a Nano-Tex, Inc. estão actualmente a comercializar têxteis que são modificados para lhes conferir propriedades super-hidrófobas (Figura 7). Este efeito obtém-se pela presença de “pêlos de nanodimensão” na superfície das fibras que compõem o tecido.

(7)

Página 7 de 8

Figura 7. Mancheamento líquido

de um tecido Nano-Tex®. (Autoria da imagem: cortesia da Nano-Tex, Inc., Copyright Nano-Tex. Inc)

NANO-TEX LOTUS

Figura 8. Esquerda: Imagens de alta resolução do tecido Nano-Tex (Imagens por cortesia da Nano-Tex, Inc.,

Copyright Nano-Tex. Inc). Direita: imagens do ângulo de contacto de gotas de água no tecido Nano-Tex e folha de lótus (Imagens: iNANO; Universidade de Aarhus, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0).

Neste modulo experimental, vai analisar e testar um têxtil super-hidrófobo da Nano-Tex, Inc. e compará-lo com uma verdadeira folha de lótus. Vai manchar um retalho de tecido, usando líquidos e sólidos (como molho de tomate, mostarda, etc.)

Como funciona? O tecido Nano-Tex® é modificado para replicar o Lotus Effect®. Isto consegue-se através de um grande número de “alfinetes” ou “pêlos” muito pequenos na superfície das fibras. Assim, o tecido não contém um revestimento superficial (que poderia sair com a lavagem ou a transpiração); as fibras são antes nanomodificadas. O resultado é um material que é super-hidrófobo, como ilustra o ângulo de contacto medido e mostrado na Figura 8. Mostra-se para efeitos de comparação uma imagem do ângulo de contacto de uma folha de lótus.

(8)

Página 8 de 8

Figura 9. Imagens do vídeo NANOYOU 4-“Efeito Lótus - Parte 2” mostrando as propriedades de molhagem de

uma rodela de sílica porosa (esquerda) e como este material se compara com uma verdadeira folha de lótus (direita). (Autoria da imagem: iNANO, Universidade de Aarhus, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0)

2. SÍLICA POROSA

O segundo material que é analisado nesta experiência é um material em estudo na iNANO, em colaboração com a Universidade de Lund, o qual é feito de sílica porosa. Verá o comportamento deste material através de um vídeo.

Como acima mencionado, as superfícies (ou têxteis) modificados para serem super-hidrófobos compõem-se de “alfinetes” ou “pêlos” muito pequenos, inspirados pela micro-estrutura da folha de lótus. A porosidade e espaçamento desta refinada estrutura determinam as propriedades de molhagem do material. O material mostrado no vídeo tem um ângulo de contacto de 167.

E efeito super-hidrófobo resulta da micro/nano-estrutura especial desta superfície.

Nesta experiência, verá através de um vídeo como a sílica porosa se compara com uma verdadeira folha de lótus em termos de molhagem.

NOTA SOBRE AUTORIA:

Esta experiência é parcialmente adaptada da actividade de Aplicação: Nano-Tex, http://mrsec.wisc.edu/Edetc/IPSE/educators/nanoTex.html.

AGRADECIMENTOS:

Agrademos à Nano-Tex, Inc. pela sua amabilidade em disponibilizar um retalho do seu têxtil Nano-Tex® (resistente às nódoas), e por fornecer imagens deste material.