Como as gotículas convergem para uma natureza escorregadia

Jun 03, 2023

Uma superfície que repele completamente fluidos, como água, sangue ou óleo, é uma busca de longa data na engenharia e na ciência dos materiais. Esse material se presta a uma ampla gama de aplicações, desde a coleta de água até o processamento de alimentos e tecnologias biomédicas. Mesmo que os pesquisadores tenham feito progressos no desenvolvimento de materiais com essas capacidades, ainda não está claro como exatamente os fluidos se comportam em tais superfícies. Num artigo recente na Nature Communications, os investigadores descrevem pela primeira vez como as gotículas de água se aglutinam na superfície de uma superfície impregnada de óleo.

Há mais de uma década, grupos de investigação nos Estados Unidos e em França propuseram de forma independente uma nova abordagem para conceber uma superfície repelente de fluidos, inspirada num mecanismo encontrado na natureza. A ideia deles era adicionar estruturas microscópicas à superfície de um substrato e cobrir tudo com óleo. A textura porosa mantém o óleo no lugar com forças capilares, e gotículas de água ou outros fluidos podem deslizar da superfície livre de defeitos sem grudar. “É relatado que estes têm muitas propriedades muito promissoras”, diz Haobo Xu, agora estudante de pós-graduação em ciência dos materiais na Universidade Cornell e primeiro autor do estudo. Mas, ao mesmo tempo, diz ele, a física do comportamento das gotículas nestas superfícies escorregadias não foi completamente estudada. O artigo recente, de pesquisadores da Universidade de Michigan em Ann Arbor e da Universidade Estadual de Ohio em Columbus, explica como exatamente as gotas convergem. Eles descobriram que quando as gotículas se formam próximas umas das outras – mas não se tocam – elas formam uma crista úmida, feita de óleo, no meio. Essa crista facilita a atração entre as gotículas, unindo-as para se fundirem.

“Nosso trabalho mostra como duas gotículas se aglutinam”, diz Yimin Zhou, estudante de graduação do Laboratório de Transporte de Energia (ETL) de Michigan, liderado pelo engenheiro mecânico Solomon Adera. Notavelmente, diz ela, o grupo descobriu que as gotas se combinam mais rapidamente na superfície projetada revestida de óleo do que em outros materiais hidrofóbicos. “A superfície lubrificada pode aumentar a taxa de condensação”, acrescenta Zhou.

Essa propriedade, diz ela, torna o material um candidato atraente para aplicações que envolvem condensação ou captação de água. Numa central eléctrica movida a vapor, por exemplo, a água a ferver produz vapor, e o vapor faz girar uma turbina que gera electricidade. O vapor é coletado, condensado e retornado ao estado líquido. Se o novo material fosse utilizado no condensador, diz ela, a usina poderia coletar mais rapidamente a água utilizada, talvez tornando o sistema mais eficiente. O material também pode ser usado em dispositivos que captam água do ar, “especialmente em áreas secas sem muita água potável”, diz Zhou. Os materiais infundidos com óleo também seriam úteis no processamento e armazenamento de alimentos, porque evitam que materiais – incluindo germes – grudem nas laterais de um recipiente.

As primeiras superfícies impregnadas de óleo apareceram num artigo de 2005 do físico francês David Quéré. Em 2011, um grupo baseado no Instituto Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada da Universidade de Harvard desenvolveu um material inspirado na forma como as plantas carnívoras capturam suas presas. A planta secreta uma substância escorregadia que reveste a armadilha, e o infeliz inseto desliza para os sucos digestivos na base do jarro. Eles chamaram seu design de SLIPS, para superfícies porosas escorregadias com infusão de líquido. O outro grupo descreveu seu projeto, que usava de forma semelhante pequenas cavidades na superfície para reter óleo. Em ambos os casos, as gotas deslizaram sem esforço, sem se prenderem.

Patricia Weisensee, engenheira mecânica da Universidade de Washington em St. Louis, lidera um grupo de pesquisa de fluidos térmicos que vem investigando os materiais. Seu grupo e outros mostraram como as gotículas podem passar por uma superfície infundida com óleo. “Durante a condensação, até mesmo gotículas microscópicas se atraem e criam um movimento muito forte na superfície”, explica ela.

Os pesquisadores de Michigan queriam saber mais sobre o processo, então criaram seu material fabricando primeiro uma série de minúsculos pilares de silício – cada um com menos de 10 micrômetros de diâmetro e menos de 30 micrômetros de altura – em um substrato. Eles revestiram a superfície com uma fina camada de óleo de silicone. Em seguida, colocaram duas gotas, cada uma com cerca de um milímetro de diâmetro, separadas por cerca de 2,8 milímetros, e começaram a filmar. Os pesquisadores observaram que o óleo formava uma crista umectante ao redor de cada gota no ponto de contato e, entre as duas gotas, a crista umectante subia mais.