{"id":1825,"date":"2019-05-22T02:48:07","date_gmt":"2019-05-22T02:48:07","guid":{"rendered":"http:\/\/www.meetyoucarbide.com\/single-post-from-nature-to-bionics-the-past-and-present-of-superhydrophobic-materials\/"},"modified":"2020-05-04T13:12:03","modified_gmt":"2020-05-04T13:12:03","slug":"from-nature-to-bionics-the-past-and-present-of-superhydrophobic-materials","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pt\/from-nature-to-bionics-the-past-and-present-of-superhydrophobic-materials\/","title":{"rendered":"Da natureza \u00e0 bi\u00f4nica: passado e presente de materiais super-hidrof\u00f3bicos"},"content":{"rendered":"
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O que \u00e9 um material super-hidrof\u00f3bico?<\/h2>\n
O material superhidrof\u00f3bico \u00e9 um material repulsivo \u00e0 \u00e1gua e as got\u00edculas de \u00e1gua n\u00e3o s\u00e3o espalhadas de maneira deslizante na superf\u00edcie do mesmo para manter a forma esf\u00e9rica, conseguindo assim o efeito de rolar a autolimpante. A molhabilidade \u00e9 uma das propriedades importantes da superf\u00edcie de materiais s\u00f3lidos. Os principais fatores que determinam as propriedades de umedecimento da superf\u00edcie do material incluem a composi\u00e7\u00e3o qu\u00edmica da superf\u00edcie do material e a geometria microsc\u00f3pica da superf\u00edcie. Portanto, os cientistas t\u00eam uma superf\u00edcie com um \u00e2ngulo de contato est\u00e1tico na \u00e1gua maior que 150 \u00b0 e um \u00e2ngulo de rolagem menor que 10 \u00b0 chamado superf\u00edcie super-hidrof\u00f3bica. Os materiais superhidrof\u00f3bicos geralmente t\u00eam uma estrutura composta micro-nano e um produto qu\u00edmico de baixa energia superficial, que tamb\u00e9m \u00e9 um pr\u00e9-requisito para se tornar um material superhidrof\u00f3bico. Devido \u00e0s suas excelentes caracter\u00edsticas de autolimpante, separa\u00e7\u00e3o \u00f3leo-\u00e1gua, resist\u00eancia \u00e0 corros\u00e3o, anti-gelo e anti-embaciamento, superf\u00edcies super-hidrof\u00f3bicas t\u00eam sido favorecidas por cientistas de materiais nos \u00faltimos anos, atraindo um grande n\u00famero de cientistas para investir no pesquisa de materiais super-hidrof\u00f3bicos.<\/div>\n
De fato, h\u00e1 mais de 2.000 anos, as pessoas descobriram que algumas plantas crescem no lodo, mas suas folhas est\u00e3o quase sempre limpas, um exemplo t\u00edpico \u00e9 a folha de l\u00f3tus. As flores de l\u00f3tus geralmente crescem em p\u00e2ntanos e \u00e1guas rasas, mas t\u00eam as caracter\u00edsticas de "lodo e n\u00e3o tingimento", o que faz da flor de l\u00f3tus um s\u00edmbolo de pureza h\u00e1 milhares de anos. Poeira e sujeira na folha de l\u00f3tus podem ser facilmente transportadas por gotas de orvalho e chuva, mantendo a superf\u00edcie limpa. Os cientistas chamam esse fen\u00f4meno de sub-limpeza de "efeito l\u00f3tus".<\/div>\n
No entanto, o mecanismo da folha de l\u00f3tus sempre mantido limpo n\u00e3o era conhecido at\u00e9 o desenvolvimento da microscopia eletr\u00f4nica de varredura (MEV) em meados da d\u00e9cada de 1960, e as pessoas gradualmente revelaram o segredo da folha de l\u00f3tus. Em 1977, Barthlott e Neinhuis, da Universidade de Berna, Alemanha, estudaram a estrutura da superf\u00edcie da folha de l\u00f3tus por microscopia eletr\u00f4nica de varredura (como mostrado na Figura 1). \u00c9 revelado que a estrutura da mast\u00f3ide micron na superf\u00edcie da folha de l\u00f3tus e a subst\u00e2ncia da cera s\u00e3o a chave para sua fun\u00e7\u00e3o de auto-limpeza. Eles acreditam que o "efeito foliar" resultante \u00e9 causado por uma combina\u00e7\u00e3o de um material de baixa energia superficial, como uma subst\u00e2ncia cerosa e uma estrutura rugosa de m\u00edcrons do processo leitoso.<\/div>\n
Estudos demonstraram que um grande n\u00famero de estruturas de microemuls\u00e3o de cera do tamanho de um m\u00edcron \u00e9 distribu\u00eddo na superf\u00edcie da folha de l\u00f3tus (Fig. 1 (a)); um grande n\u00famero de estruturas ramificadas finas em nanoescala \u00e9 distribu\u00eddo em cada mast\u00f3ide (Fig. 1 (b)); Al\u00e9m disso, existem muitos tubos finos tridimensionais cerosos na epiderme da folha de l\u00f3tus (Fig. 1 (c)). Essa estrutura comp\u00f3sita micro-nano resulta em uma baixa \u00e1rea de contato entre as gotas de \u00e1gua e a superf\u00edcie da folha de l\u00f3tus. Portanto, o componente de cera da superf\u00edcie da folha de l\u00f3tus e a estrutura micro \/ nano comp\u00f3sita trabalham juntos para proporcionar uma super-hidrofobicidade \u00fanica e baixa ades\u00e3o \u00e0 folha de l\u00f3tus. O \u00e2ngulo de contato e o \u00e2ngulo de rolagem da \u00e1gua na folha de l\u00f3tus s\u00e3o de aproximadamente 160 \u00b0 e 2 \u00b0, respectivamente. As got\u00edculas de \u00e1gua s\u00e3o quase esf\u00e9ricas na superf\u00edcie da folha de l\u00f3tus e podem rolar livremente em todas as dire\u00e7\u00f5es, removendo o p\u00f3 na superf\u00edcie da folha de l\u00f3tus, mostrando um bom efeito de autolimpeza (Fig. 1 (d)). O efeito de l\u00f3tus, ou seja, a superf\u00edcie autolimpante, exibe uma forte capacidade antipolui\u00e7\u00e3o quando o \u00e2ngulo de contato com a \u00e1gua \u00e9 superior a 150 \u00b0, ou seja, contaminantes da superf\u00edcie como poeira podem ser levados pelas gotas de \u00e1gua que caem sem deixando vest\u00edgios.<\/div>\n

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Figura 1 Imagem SEM da superf\u00edcie da folha de l\u00f3tus<\/div>\n
Al\u00e9m das folhas de l\u00f3tus, existem muitas plantas e animais no mundo que s\u00e3o super-hidrof\u00f3bicos. As got\u00edculas de \u00e1gua nas folhas do arroz s\u00e3o mais individuais do que as got\u00edculas de \u00e1gua na superf\u00edcie da folha de l\u00f3tus. Diferentemente das gotas de \u00e1gua na superf\u00edcie da folha de l\u00f3tus, que podem rolar em qualquer dire\u00e7\u00e3o, as gotas de \u00e1gua nas folhas do arroz podem rolar facilmente na dire\u00e7\u00e3o do crescimento da l\u00e2mina, enquanto \u00e9 mais dif\u00edcil rolar na dire\u00e7\u00e3o vertical . Isso ocorre porque as folhas de arroz t\u00eam uma s\u00e9rie de sali\u00eancias orientadas para a linha e uma estrutura de ranhura unidimensional (Fig. 2 (a)). Na dire\u00e7\u00e3o horizontal para o crescimento da l\u00e2mina, o \u00e2ngulo de rolagem da gota \u00e9 de 3 \u00b0 a 5 \u00b0 e, na dire\u00e7\u00e3o vertical, o \u00e2ngulo de rolagem \u00e9 de 9 \u00b0 a 15 \u00b0. O alinhamento linear da estrutura mast\u00f3ide na superf\u00edcie da folha de arroz fornece \u00e0s got\u00edculas diferentes barreiras energ\u00e9ticas que se infiltram nas duas dire\u00e7\u00f5es. Semelhante \u00e0s asas de uma borboleta, quando as asas da borboleta s\u00e3o ventiladas, as gotas de \u00e1gua rolam ao longo do eixo do eixo, para que as gotas n\u00e3o molhem o corpo da borboleta. Acontece que as asas das borboletas s\u00e3o cobertas por um grande n\u00famero de escalas micro-nano orientadas ao longo do eixo do eixo (Fig. 2 (b)). Essa estrutura micro-nano altamente direcional afeta efetivamente o comportamento de umedecimento das gotas de \u00e1gua, de modo que as gotas de \u00e1gua podem rolar facilmente na dire\u00e7\u00e3o radial enquanto s\u00e3o incorporadas na dire\u00e7\u00e3o oposta. Dois estados diferentes podem ser ajustados controlando a postura do bater das asas ou a dire\u00e7\u00e3o do ar que passa atrav\u00e9s da superf\u00edcie das asas. Essa ades\u00e3o anisotr\u00f3pica permite que as asas das borboletas sejam limpas direcionalmente em um ambiente \u00famido, garantindo estabilidade durante o v\u00f4o e evitando o ac\u00famulo de poeira.<\/div>\n
Ao contr\u00e1rio de pequenas gotas de \u00e1gua na superf\u00edcie da folha de l\u00f3tus que podem ser facilmente enroladas, as pequenas gotas de \u00e1gua nas p\u00e9talas de rosa tendem a aderir \u00e0 superf\u00edcie. Atrav\u00e9s da explora\u00e7\u00e3o microsc\u00f3pica de p\u00e9talas de rosa, os cientistas descobriram que a superf\u00edcie das p\u00e9talas de rosa \u00e9 composta por mast\u00f3ides do tamanho de m\u00edcrons, enquanto na ponta das mast\u00f3ides existem muitas estruturas dobradas em escala nano, e essa estrutura nano-dobr\u00e1vel \u00e9 o resultado de alta ades\u00e3o de p\u00e9talas de rosa. O fator chave (Figura 2 (c)). O g\u00e1s pode estar presente na estrutura nano-dobrada, enquanto a \u00e1gua pode penetrar facilmente entre a micro-mam\u00e1ria. A mesma coisa que as p\u00e9talas de rosa \u00e9 a sola da lagartixa. A sola da lagartixa \u00e9 super-hidrof\u00f3bica e autolimpante, mas o que excita os cientistas \u00e9 que a sola da lagartixa tem uma capacidade ultra-adesiva de se mover livremente em uma superf\u00edcie lisa. Isso se deve \u00e0s cerdas micronizadas bem alinhadas na superf\u00edcie da sola da lagartixa, que s\u00e3o compostas por centenas de pontas menores em nanoescala (Fig. 2 (d)). A for\u00e7a de Van der Waals gerada pelo contato entre as nanotips das cerdas da lagartixa e a superf\u00edcie s\u00f3lida \u00e9 o suporte da lagartixa para rastejar em v\u00e1rios \u00e2ngulos.<\/div>\n
Os olhos compostos de mosquito s\u00e3o arranjados com pequenos olhos hexagonais apertados e uma protuber\u00e2ncia hexagonal apertada \u00e9 disposta em cada olho pequeno (Fig. 2 (e)). Essa estrutura composta exclusiva torna os olhos compostos dos mosquitos extremamente hidrof\u00f3bicos. Quando o mosquito \u00e9 exposto a um ambiente nebuloso, pode-se descobrir que got\u00edculas muito pequenas n\u00e3o s\u00e3o formadas na superf\u00edcie do olho do mosquito, e uma grande quantidade de got\u00edculas \u00e9 condensada na penugem ao redor do olho do mosquito. Essa natureza extremamente hidrof\u00f3bica impede que as got\u00edculas adiram e se aglomerem na superf\u00edcie dos olhos do mosquito, proporcionando uma vis\u00e3o clara do mosquito. Essa descoberta fornece uma id\u00e9ia inspiradora de pesquisa para o desenvolvimento de materiais de superf\u00edcie anti-embaciamento.<\/div>\n
A lontra pode caminhar facilmente ou at\u00e9 pular na \u00e1gua. O segredo \u00e9 a poderosa super-hidrofobicidade de suas pernas peludas. Quando a lontra fica na superf\u00edcie da \u00e1gua, suas pernas formam um v\u00f3rtice com uma profundidade de cerca de 4 mm, em vez de perfurar a superf\u00edcie da \u00e1gua. Cada perna possui uma for\u00e7a super-hidrof\u00f3bica forte e dur\u00e1vel, capaz de suportar cerca de 15 vezes o seu peso. Ao mesmo tempo, tamb\u00e9m foi encontrada a microestrutura especial da perna de sanguessuga, e um grande n\u00famero de microestruturas em forma de faixa ordenada cobriu as pernas da sanguessuga, essas microestruturas foram orientadas em um \u00e2ngulo de cerca de 20 \u00b0 e cada estrutura de micro-tira Consiste em uma nano-ranhura em espiral (Fig. 2 (f)). Essa estrutura micro-nano multi-escala em camadas captura efetivamente o g\u00e1s entre a perna da sanguessuga e a superf\u00edcie da \u00e1gua para formar um poderoso filme de g\u00e1s. A capacidade robusta e super-hidrof\u00f3bica das pernas da lontra inspira o design de novos equipamentos aqu\u00e1ticos.<\/div>\n

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Fig. 2 Microestrutura diferente de diferentes animais<\/div>\n
Revela\u00e7\u00e3o natural: do \u201cefeito l\u00f3tus\u201d das superf\u00edcies autolimpantes \u00e0 constru\u00e7\u00e3o de superf\u00edcies super-hidrof\u00f3bicas<\/div>\n
Direito humano, direito da terra, c\u00e9u e direito, o direito do Tao \u00e9 natural. Ao estudar as folhas de plantas com super-hidrofobicidade na natureza, pode-se saber que a prepara\u00e7\u00e3o de superf\u00edcies super-hidrof\u00f3bicas requer duas condi\u00e7\u00f5es: uma \u00e9 que a superf\u00edcie do material tenha uma energia superficial muito baixa; a outra \u00e9 que a superf\u00edcie do material s\u00f3lido tem uma certa rugosidade e um m\u00edcron. E a estrutura dupla do nano.<\/div>\n
Do \u00e2ngulo de contato est\u00e1tico da superf\u00edcie s\u00f3lida, a chave para determinar a liofobicidade da superf\u00edcie s\u00f3lida est\u00e1 na composi\u00e7\u00e3o qu\u00edmica da superf\u00edcie do material, e a rugosidade da superf\u00edcie apenas aumenta esse efeito. Portanto, ao construir uma superf\u00edcie s\u00f3lida super-hidrof\u00f3bica, \u00e9 geralmente construir uma superf\u00edcie rugosa em uma superf\u00edcie com baixa energia superficial ou modificar uma subst\u00e2ncia com baixa energia superficial em uma superf\u00edcie rugosa. Primeiro, as pessoas come\u00e7aram a estudar a prepara\u00e7\u00e3o de materiais de baixa energia superficial e descobriram que os materiais s\u00f3lidos com menor energia superficial s\u00e3o materiais contendo siloxano e fl\u00faor. Entre eles, os materiais contendo fl\u00faor s\u00e3o os mais excelentes, e sua energia superficial \u00e9 cerca de 10 mN \/ m menor que a do siloxano, e o fl\u00faor \u00e9 o menor raio at\u00f4mico de todos os elementos, exceto o hidrog\u00eanio. Possui forte eletronegatividade, alta energia de liga\u00e7\u00e3o de fluorocarbono, baixa energia coesa e alta estabilidade t\u00e9rmica e estabilidade qu\u00edmica. Possui as caracter\u00edsticas de resist\u00eancia ao calor, resist\u00eancia \u00e0s intemp\u00e9ries, resist\u00eancia qu\u00edmica e baixo \u00edndice de refra\u00e7\u00e3o. Quando a superf\u00edcie do material - os grupos CF3 s\u00e3o empilhados em uma ordem firmemente compactada de hex\u00e1gonos, a superf\u00edcie s\u00f3lida apresenta a menor tens\u00e3o superficial de 6,7 mJ \/ m 2. Portanto, a maioria dos materiais atualmente preparados com baixa energia superficial s\u00e3o principalmente materiais contendo fl\u00faor. Al\u00e9m disso, as pessoas come\u00e7aram a tentar m\u00e9todos diferentes para controlar a estrutura da superf\u00edcie para preparar revestimentos super-hidrof\u00f3bicos. Atualmente, m\u00e9todos de auto-montagem camada por camada, m\u00e9todos de deposi\u00e7\u00e3o f\u00edsica ou qu\u00edmica de vapor, m\u00e9todos de ataque qu\u00edmico, m\u00e9todos de moldagem, m\u00e9todos de pulveriza\u00e7\u00e3o eletrost\u00e1tica e m\u00e9todos sol-gel s\u00e3o comumente usados.<\/div>\n
Oportunidades e desafios para materiais super-hidrof\u00f3bicos: durabilidade e transpar\u00eancia<\/div>\n
Embora os materiais super-hidrof\u00f3bicos possuam amplas perspectivas de aplica\u00e7\u00e3o na vida real, ainda existem muitas dificuldades em realizar a aplica\u00e7\u00e3o generalizada da super-hidrofobicidade na pr\u00e1tica, e o maior desafio \u00e9 a durabilidade e a transpar\u00eancia. O revestimento hidrof\u00f3bico tem baixa ades\u00e3o ao substrato, e a estrutura rugosa tamb\u00e9m \u00e9 muito fr\u00e1gil. Quando a superf\u00edcie \u00e9 sujeita a efeitos mec\u00e2nicos, como impacto e atrito, \u00e9 facilmente danificada e perde propriedades super-hidrof\u00f3bicas. Portanto, o desenvolvimento de um revestimento super-hidrof\u00f3bico com anti-fric\u00e7\u00e3o est\u00e1vel ou uma superf\u00edcie super-hidrof\u00f3bica com fun\u00e7\u00e3o de auto-reparo tornou-se um problema urgente no campo de pesquisa de materiais super-hidrof\u00f3bicos. Em geral, para obter super-hidrof\u00f3bica, a superf\u00edcie ter\u00e1 uma certa rugosidade e, quanto maior a rugosidade, maior o \u00edndice de refra\u00e7\u00e3o e menor a transpar\u00eancia. Isso limita bastante a aplica\u00e7\u00e3o de materiais super-hidrof\u00f3bicos em dispositivos \u00f3pticos.<\/div>\n

Conclus\u00e3o<\/h2>\n
Da natureza \u00e0 bi\u00f4nica, materiais super-hidrof\u00f3bicos come\u00e7aram a partir da folha de l\u00f3tus e foram desenvolvidos at\u00e9 hoje. Os cientistas nunca deixaram de explorar a natureza. Acredito que \u00e0 medida que aprofundamos nossa explora\u00e7\u00e3o da natureza, nossa compreens\u00e3o da natureza continua a se aprofundar, e o campo da super-hidrofobicidade certamente far\u00e1 um progresso maior.<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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What is a superhydrophobic material? The superhydrophobic material is a material that is repulsive to water, and the water droplets are not slidably spread on the surface thereof to maintain the spherical shape, thereby achieving the effect of rolling self-cleaning. Wettability is one of the important properties of the surface of solid materials. The key…<\/p>","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":""},"categories":[79],"tags":[],"class_list":["post-1825","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-materials-weekly"],"jetpack_featured_media_url":"","jetpack_sharing_enabled":true,"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1825","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1825"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1825\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1825"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1825"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1825"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}