Contenido

Las superficies superhidrofóbicas, tales como las hojas de la planta de loto, son aquellas que es extremadamente difícil que se mojen. Los ángulos de contacto de una gota de agua son mayores a 150°.[11]​ Esto se denomina efecto loto, y es una propiedad física relacionada con la tensión de interfase, más que una propiedad química.

Teoria

Em 1805, Thomas Young definiu o ângulo de contato θ analisando as forças que atuam sobre uma gota de fluido que está em uma superfície sólida e cercada por um gás.[12]​.

onde.

θ é medido usando um goniômetro de ângulo de contato.

Wenzel determinou que quando o líquido está em contato íntimo com uma superfície microestruturada, θ muda para θ.

onde r é a razão entre a área real e a área projetada.[13]​ A equação de Wenzel mostra que a microestrutura de uma superfície amplifica a tendência natural de uma superfície. Uma superfície hidrofóbica (aquela que possui um ângulo de contato original maior que 90°) é mais hidrofóbica se for microestruturada – seu novo ângulo de contato é maior que o original. No entanto, uma superfície hidrofílica (aquela que tem um ângulo de contato original menor que 90°) torna-se menos hidrofílica se for microestruturada – seu novo ângulo de contato torna-se menor que o original.[14]​

Cassie e Baxter que se o líquido estiver suspenso acima das microestruturas, θ é modificado para θ:.

onde φ é a fração da área do sólido que toca o líquido.[15] O estado líquido Cassie-Baxter é mais móvel que o estado Wenzel.

Podemos prever se o estado de Wenzel ou Cassie-Baxter deveria existir calculando o novo ângulo de contato com ambas as equações. Por um argumento de minimização de energia livre, a relação que previu o novo menor ângulo de contato é o estado com maior probabilidade de existir. Dito em termos matemáticos, para que o estado Cassie-Baxter exista, a seguinte desigualdade deve ser verdadeira.[16]​.

Um critério alternativo recente para o estado de Cassie-Baxter afirma que o estado de Cassie-Baxter existe quando os 2 critérios a seguir são atendidos: 1) As forças da linha de contato excedem as forças do corpo provenientes do peso das gotículas não suportadas e 2) As microestruturas são altas o suficiente para evitar que o líquido que liga as microestruturas toque a base das microestruturas.

Um novo critério foi desenvolvido recentemente para a mudança entre os estados de Wenzel e Cassie-Baxter com base na rugosidade superficial e na energia superficial.[18] O critério centra-se na capacidade de reter ar sob gotículas de líquido em superfícies rugosas, o que poderia indicar se o modelo de Wenzel ou Cassie-Baxter deve ser usado para uma determinada combinação de rugosidade superficial e energia.

O ângulo de contato é uma medida da hidrofobicidade estática, e a histerese do ângulo de contato e o ângulo de deslizamento são medidas dinâmicas. A histerese do ângulo de contato é um fenômeno que caracteriza a heterogeneidade da superfície. Quando uma pipeta injeta um líquido em um sólido, o líquido formará um certo ângulo de contato. À medida que a pipeta injeta mais líquido, a gota aumentará de volume, o ângulo de contato aumentará, mas seu limite trifásico permanecerá estacionário até que subitamente se mova para fora. O ângulo de contato que a gota tinha imediatamente antes de avançar para fora é chamado de ângulo de contato de avanço. O ângulo de contato de recuo agora é medido bombeando o líquido de volta para fora da gota. A gota diminuirá em volume, o ângulo de contato diminuirá, mas seu limite trifásico permanecerá estacionário até que subitamente recue para dentro. O ângulo de contato que a gota teve imediatamente antes de recuar para dentro é chamado de ângulo de contato de recuo. A diferença entre os ângulos de contato de avanço e recuo é chamada de histerese do ângulo de contato e pode ser usada para caracterizar a heterogeneidade, rugosidade e mobilidade da superfície.[20]​ Superfícies que não são homogêneas terão domínios que impedem o movimento da linha de contato. O ângulo de deslizamento é outra medida dinâmica da hidrofobicidade e é medido depositando uma gota em uma superfície e inclinando a superfície até que a gota comece a deslizar. Em geral, os líquidos no estado Cassie-Baxter têm ângulos de escorregamento e histerese de ângulo de contato mais baixos do que aqueles no estado Wenzel.

Dettre e Johnson descobriram em 1964 que o fenômeno do efeito de lótus superhidrofóbico estava relacionado a superfícies hidrofóbicas ásperas e desenvolveram um modelo teórico baseado em experimentos com esferas de vidro revestidas de parafina ou telômeros de TFE. A propriedade de autolimpeza de superfícies micro-nanoestruturadas superhidrofóbicas foi relatada em 1977. Perfluoroalquil, perfluoropoliéter e materiais superhidrofóbicos formados por plasma RF foram desenvolvidos, usados ​​para eletroumedecimento e comercializados para aplicações biomédicas entre 1986 e 1995. Outras tecnologias e aplicações surgiram desde meados da década de 1990.[26] Em 2002, foi divulgada uma composição superhidrofóbica hierárquica durável, aplicada em uma ou duas etapas, compreendendo partículas de tamanho nanométrico ≤ 100 nanômetros que foram sobrepostas a uma superfície com características ou partículas de tamanho micrométrico ≤ 100 micrômetros. Observou-se que partículas maiores protegiam as menores da abrasão mecânica.[27]​.

Em pesquisas recentes, a superhidrofobicidade foi relatada ao permitir que o dímero de alquilceteno "Dimer (química)") (AKD) se solidifique em uma superfície fractal nanoestruturada. Desde então, muitos trabalhos apresentaram métodos de fabricação para produzir superfícies superhidrofóbicas, incluindo deposição de partículas,[29]​ técnicas sol-gel,[30]​ tratamentos de plasma,[31]​ vapor,[29]​ e técnicas de fundição.[32]​ A oportunidade atual para o impacto da pesquisa reside principalmente na pesquisa fundamental e na fabricação prática.[33]​ Debates surgiram recentemente sobre a aplicabilidade dos modelos Wenzel e Cassie-Baxter. Em um experimento projetado para desafiar a perspectiva de energia superficial do modelo de Wenzel e Cassie-Baxter e promover a perspectiva da linha de contato, gotículas de água foram colocadas em um ponto hidrofóbico liso em um campo hidrofóbico áspero, um ponto hidrofóbico áspero em um campo hidrofóbico liso, e um ponto hidrofílico em um campo hidrofóbico. Experimentos demonstraram que a química e a geometria da superfície na linha de contato afetaram o ângulo de contato. e à histerese do ângulo de contato"), mas a superfície dentro da linha de contato não teve efeito. O argumento também foi proposto de que o aumento de irregularidades na linha de contato melhora a mobilidade das gotas.[35]​.

Muitos materiais hidrofóbicos encontrados na natureza são baseados na lei de Cassie e são "Fase (matéria)" bifásica no nível submícron com um componente de ar. O efeito lótus é baseado neste princípio. Inspirado por ele, muitas superfícies funcionais superhidrofóbicas foram preparadas.[36]​.

Um exemplo de material superhidrofóbico biônico ou biomimético em nanotecnologia é o filme nanopin.

Na medicina, o termo hidrofobia é usado como sinônimo de raiva. O hidrófobo, portanto, é aquele que sofre da doença comumente conhecida como raiva ou hidrofobia. É causada por um vírus pertencente à família Rhabdoviridae, gênero Lyssavirus tipo 1, típico de certos animais de sangue quente, como cães, gatos, ratos, lobos e morcegos, mas pode ser transmitido ao homem se picado por um animal infectado.

Esse vírus ataca o sistema nervoso central e, se a doença não for prevenida pela vacinação, acaba provocando a morte do paciente. Quando uma pessoa é infectada pelo vírus da raiva, os sintomas da doença podem demorar entre 30 e 180 dias para aparecer; As mais características são alterações sensoriais e problemas de mobilidade. A princípio o paciente apresenta alterações de humor, medos injustificados, dores na ferida e desconforto geral; então sofre de espasmos, excitação, aversão à água porque, ao engolir ou ver água, os músculos da garganta ficam paralisados, distúrbios mentais e alucinações; Por fim, a paralisia imobiliza seus membros e, quando se espalha para o cérebro e os pulmões, causa a morte por não se mover.

Nas áreas hidrofóbicas da imagem da chapa, a água é repelida e a tinta adere a essas áreas, já que o sistema de impressão offset é baseado no equilíbrio água-tinta.

Concreto hidrofóbico") é produzido desde meados do século.

Pesquisas ativas recentes sobre materiais superhidrofóbicos poderiam eventualmente levar a mais aplicações industriais.

Uma rotina simples de revestir tecidos de algodão com partículas de sílica[37]​ ou titânia[38]​ usando a técnica sol-gel), que protege o tecido da luz ultravioleta e o torna superhidrofóbico.

Foi relatado que uma rotina eficaz torna o polietileno superhidrofóbico e, portanto, autolimpante.[39]​ 99% da sujeira em tal superfície é facilmente removida.

Superfícies superhidrofóbicas padronizadas também são promissoras para dispositivos microfluídicos lab-on-a-chip e podem melhorar drasticamente a bioanálise baseada em superfície [40].

Em produtos farmacêuticos, a hidrofobicidade de misturas farmacêuticas afeta importantes atributos de qualidade dos produtos finais, como dissolução e dureza do medicamento.[41]Métodos foram desenvolvidos para medir a hidrofobicidade de materiais farmacêuticos.[42][43]​.

O desenvolvimento de superfícies hidrofóbicas (resfriamento radiativo diurno passivo) (PDRC), cuja eficácia na refletância solar) e na emissão térmica se baseia na sua limpeza, melhorou a "autolimpeza" dessas superfícies. Além disso, foram desenvolvidos PDRCs hidrofóbicos escaláveis ​​e sustentáveis ​​que evitam VOCs").[44]​.

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Las superficies superhidrofóbicas, tales como las hojas de la planta de loto, son aquellas que es extremadamente difícil que se mojen. Los ángulos de contacto de una gota de agua son mayores a 150°.[11]​ Esto se denomina efecto loto, y es una propiedad física relacionada con la tensión de interfase, más que una propiedad química.

Teoria

Em 1805, Thomas Young definiu o ângulo de contato θ analisando as forças que atuam sobre uma gota de fluido que está em uma superfície sólida e cercada por um gás.[12]​.

onde.

θ é medido usando um goniômetro de ângulo de contato.

Wenzel determinou que quando o líquido está em contato íntimo com uma superfície microestruturada, θ muda para θ.

onde r é a razão entre a área real e a área projetada.[13]​ A equação de Wenzel mostra que a microestrutura de uma superfície amplifica a tendência natural de uma superfície. Uma superfície hidrofóbica (aquela que possui um ângulo de contato original maior que 90°) é mais hidrofóbica se for microestruturada – seu novo ângulo de contato é maior que o original. No entanto, uma superfície hidrofílica (aquela que tem um ângulo de contato original menor que 90°) torna-se menos hidrofílica se for microestruturada – seu novo ângulo de contato torna-se menor que o original.[14]​

Cassie e Baxter que se o líquido estiver suspenso acima das microestruturas, θ é modificado para θ:.

onde φ é a fração da área do sólido que toca o líquido.[15] O estado líquido Cassie-Baxter é mais móvel que o estado Wenzel.

Podemos prever se o estado de Wenzel ou Cassie-Baxter deveria existir calculando o novo ângulo de contato com ambas as equações. Por um argumento de minimização de energia livre, a relação que previu o novo menor ângulo de contato é o estado com maior probabilidade de existir. Dito em termos matemáticos, para que o estado Cassie-Baxter exista, a seguinte desigualdade deve ser verdadeira.[16]​.

Um critério alternativo recente para o estado de Cassie-Baxter afirma que o estado de Cassie-Baxter existe quando os 2 critérios a seguir são atendidos: 1) As forças da linha de contato excedem as forças do corpo provenientes do peso das gotículas não suportadas e 2) As microestruturas são altas o suficiente para evitar que o líquido que liga as microestruturas toque a base das microestruturas.

Um novo critério foi desenvolvido recentemente para a mudança entre os estados de Wenzel e Cassie-Baxter com base na rugosidade superficial e na energia superficial.[18] O critério centra-se na capacidade de reter ar sob gotículas de líquido em superfícies rugosas, o que poderia indicar se o modelo de Wenzel ou Cassie-Baxter deve ser usado para uma determinada combinação de rugosidade superficial e energia.

O ângulo de contato é uma medida da hidrofobicidade estática, e a histerese do ângulo de contato e o ângulo de deslizamento são medidas dinâmicas. A histerese do ângulo de contato é um fenômeno que caracteriza a heterogeneidade da superfície. Quando uma pipeta injeta um líquido em um sólido, o líquido formará um certo ângulo de contato. À medida que a pipeta injeta mais líquido, a gota aumentará de volume, o ângulo de contato aumentará, mas seu limite trifásico permanecerá estacionário até que subitamente se mova para fora. O ângulo de contato que a gota tinha imediatamente antes de avançar para fora é chamado de ângulo de contato de avanço. O ângulo de contato de recuo agora é medido bombeando o líquido de volta para fora da gota. A gota diminuirá em volume, o ângulo de contato diminuirá, mas seu limite trifásico permanecerá estacionário até que subitamente recue para dentro. O ângulo de contato que a gota teve imediatamente antes de recuar para dentro é chamado de ângulo de contato de recuo. A diferença entre os ângulos de contato de avanço e recuo é chamada de histerese do ângulo de contato e pode ser usada para caracterizar a heterogeneidade, rugosidade e mobilidade da superfície.[20]​ Superfícies que não são homogêneas terão domínios que impedem o movimento da linha de contato. O ângulo de deslizamento é outra medida dinâmica da hidrofobicidade e é medido depositando uma gota em uma superfície e inclinando a superfície até que a gota comece a deslizar. Em geral, os líquidos no estado Cassie-Baxter têm ângulos de escorregamento e histerese de ângulo de contato mais baixos do que aqueles no estado Wenzel.

Dettre e Johnson descobriram em 1964 que o fenômeno do efeito de lótus superhidrofóbico estava relacionado a superfícies hidrofóbicas ásperas e desenvolveram um modelo teórico baseado em experimentos com esferas de vidro revestidas de parafina ou telômeros de TFE. A propriedade de autolimpeza de superfícies micro-nanoestruturadas superhidrofóbicas foi relatada em 1977. Perfluoroalquil, perfluoropoliéter e materiais superhidrofóbicos formados por plasma RF foram desenvolvidos, usados ​​para eletroumedecimento e comercializados para aplicações biomédicas entre 1986 e 1995. Outras tecnologias e aplicações surgiram desde meados da década de 1990.[26] Em 2002, foi divulgada uma composição superhidrofóbica hierárquica durável, aplicada em uma ou duas etapas, compreendendo partículas de tamanho nanométrico ≤ 100 nanômetros que foram sobrepostas a uma superfície com características ou partículas de tamanho micrométrico ≤ 100 micrômetros. Observou-se que partículas maiores protegiam as menores da abrasão mecânica.[27]​.

Em pesquisas recentes, a superhidrofobicidade foi relatada ao permitir que o dímero de alquilceteno "Dimer (química)") (AKD) se solidifique em uma superfície fractal nanoestruturada. Desde então, muitos trabalhos apresentaram métodos de fabricação para produzir superfícies superhidrofóbicas, incluindo deposição de partículas,[29]​ técnicas sol-gel,[30]​ tratamentos de plasma,[31]​ vapor,[29]​ e técnicas de fundição.[32]​ A oportunidade atual para o impacto da pesquisa reside principalmente na pesquisa fundamental e na fabricação prática.[33]​ Debates surgiram recentemente sobre a aplicabilidade dos modelos Wenzel e Cassie-Baxter. Em um experimento projetado para desafiar a perspectiva de energia superficial do modelo de Wenzel e Cassie-Baxter e promover a perspectiva da linha de contato, gotículas de água foram colocadas em um ponto hidrofóbico liso em um campo hidrofóbico áspero, um ponto hidrofóbico áspero em um campo hidrofóbico liso, e um ponto hidrofílico em um campo hidrofóbico. Experimentos demonstraram que a química e a geometria da superfície na linha de contato afetaram o ângulo de contato. e à histerese do ângulo de contato"), mas a superfície dentro da linha de contato não teve efeito. O argumento também foi proposto de que o aumento de irregularidades na linha de contato melhora a mobilidade das gotas.[35]​.

Muitos materiais hidrofóbicos encontrados na natureza são baseados na lei de Cassie e são "Fase (matéria)" bifásica no nível submícron com um componente de ar. O efeito lótus é baseado neste princípio. Inspirado por ele, muitas superfícies funcionais superhidrofóbicas foram preparadas.[36]​.

Um exemplo de material superhidrofóbico biônico ou biomimético em nanotecnologia é o filme nanopin.

Na medicina, o termo hidrofobia é usado como sinônimo de raiva. O hidrófobo, portanto, é aquele que sofre da doença comumente conhecida como raiva ou hidrofobia. É causada por um vírus pertencente à família Rhabdoviridae, gênero Lyssavirus tipo 1, típico de certos animais de sangue quente, como cães, gatos, ratos, lobos e morcegos, mas pode ser transmitido ao homem se picado por um animal infectado.

Esse vírus ataca o sistema nervoso central e, se a doença não for prevenida pela vacinação, acaba provocando a morte do paciente. Quando uma pessoa é infectada pelo vírus da raiva, os sintomas da doença podem demorar entre 30 e 180 dias para aparecer; As mais características são alterações sensoriais e problemas de mobilidade. A princípio o paciente apresenta alterações de humor, medos injustificados, dores na ferida e desconforto geral; então sofre de espasmos, excitação, aversão à água porque, ao engolir ou ver água, os músculos da garganta ficam paralisados, distúrbios mentais e alucinações; Por fim, a paralisia imobiliza seus membros e, quando se espalha para o cérebro e os pulmões, causa a morte por não se mover.

Nas áreas hidrofóbicas da imagem da chapa, a água é repelida e a tinta adere a essas áreas, já que o sistema de impressão offset é baseado no equilíbrio água-tinta.

Concreto hidrofóbico") é produzido desde meados do século.

Pesquisas ativas recentes sobre materiais superhidrofóbicos poderiam eventualmente levar a mais aplicações industriais.

Uma rotina simples de revestir tecidos de algodão com partículas de sílica[37]​ ou titânia[38]​ usando a técnica sol-gel), que protege o tecido da luz ultravioleta e o torna superhidrofóbico.

Foi relatado que uma rotina eficaz torna o polietileno superhidrofóbico e, portanto, autolimpante.[39]​ 99% da sujeira em tal superfície é facilmente removida.

Superfícies superhidrofóbicas padronizadas também são promissoras para dispositivos microfluídicos lab-on-a-chip e podem melhorar drasticamente a bioanálise baseada em superfície [40].

Em produtos farmacêuticos, a hidrofobicidade de misturas farmacêuticas afeta importantes atributos de qualidade dos produtos finais, como dissolução e dureza do medicamento.[41]Métodos foram desenvolvidos para medir a hidrofobicidade de materiais farmacêuticos.[42][43]​.

O desenvolvimento de superfícies hidrofóbicas (resfriamento radiativo diurno passivo) (PDRC), cuja eficácia na refletância solar) e na emissão térmica se baseia na sua limpeza, melhorou a "autolimpeza" dessas superfícies. Além disso, foram desenvolvidos PDRCs hidrofóbicos escaláveis ​​e sustentáveis ​​que evitam VOCs").[44]​.