Efeito Lotus. Mestrado em Engenharia Química QUI601

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1 Efeito Lotus Mestrado em Engenharia Química QUI601 Porto, Outubro 2010

2 PROJECTO FEUP MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA QUÍMICA 1º ano, 1º semestre Ano lectivo 2010/11 Monitora: Doutora Sofia Sousa Supervisor: Prof. José M. Loureiro Autores: Ana Patrícia do Couto Pereira Daisy Maria Simões de Oliveira Joana Maria Parchão Oliveira João Pedro Almeida de Oliveira Marta Alexandra Reis Brochado Patrícia da Conceição Ferreira Dias Cruz i

3 Agradecimentos O presente relatório, proposto na unidade curricular de Projecto FEUP, contou com o auxílio de duas identidades que se revelaram cruciais ao desenvolvimento do projecto: Doutor José Miguel Loureiro e Doutora Sofia Isabel Vieira de Sousa, supervisor e monitora da equipa QUI601, respectivamente. Ao Doutor José Loureiro, a equipa QUI601 gostaria de deixar uma palavra de apreço pela proposta desafiante colocada no início do funcionamento da unidade curricular, bem como pelas críticas e sugestões que pelo mesmo foram dirigidas. À Doutora Sofia Sousa, a equipa QUI601 agradece o auxílio concedido nas mais diversas etapas do trabalho, assim como pela disponibilidade prestada. ii

4 Índice Agradecimentos... ii Índice... iii Índice de Figuras... iv Sumário... v Introdução Descrição do efeito de Lotus 1.1 Princípio de auto-limpeza Conceito de super hidrofobicidade 2.1 Do hidrofóbico ao super hidrofóbico Aplicações do Efeito Lótus 3.1 A indústria imita a natureza... 6 i. Revestimento... 6 ii. Poupança de energia... 6 iii. Aplicações biomédicas Aplicações Industriais....9 Conclusões Referências bibliográficas iii

5 Índice de Figuras Fig.1 Flor de Lótus Fig. 2 Estruturas hierárquicas na superfície da folha de Lótus (papilas e as ceras epiticulares) Fig. 3 Gotas de água na superfície da folha da flor de Lótus Fig. 4 Ângulo formado por uma gota de água numa superfície hidrofóbica. 4 Fig. 5 Tecnologia Lab-on-a-chip Fig. 6 - Tecido pulverizado com Spray Lotus Fig. 7 - Parede da biblioteca da FEUP [9] iv

6 Sumário O efeito Lótus foi descoberto por W. Barthlott [1], na década de 70, e diz respeito à elevada repelência à água hidrofobia que a superfície das folhas da flor de Lótus apresenta. Como consequência, estas plantas estão sempre limpas princípio da autolimpeza -, o que se explica através da estrutura hierárquica que as superfícies das folhas desta planta apresentam: papilas e ceras epiticulares. As papilas, que são saliências nanométricas, combinadas com as ceras epiticulares [1], que são hidrofóbicas, conferem à folha a super hidrofobicidade (elevada repulsão da água por acção de um ângulo de contacto entre a gota de água e a superfície da folha superior a 160º). Este fenómeno permite à planta defenderse de agentes patogénicos e, simultaneamente, realizar um processo de autolimpeza. A indústria, imitando a natureza, serviu-se desta descoberta para a produção de matérias e objectos impermeáveis, anti-mancha e anti-fúngicos que se tornam mais resistentes e higiénicos. Os três sectores em que tal é mais visível são os de revestimento, poupança de energia e aplicações biomédicas. Palavras chave Efeito Lótus, princípio de auto-limpeza, super hidrofobicidade, aplicações na indústria v

7 Introdução A flor de Lótus (fig. 1) Nelumbo nucifera cresce em águas lamacentas, contudo, as suas folhas nunca estão sujas. Por esta razão, a planta é venerada em muitas culturas, como a Indiana, Myanmar e Chinesa. Assim sendo, é a sua pureza que a torna extremamente importante, tanto para as culturas acima referidas, como para a ciência. O efeito Lótus pode ser encontrado em numerosas espécies de plantas e consiste, essencialmente, num processo de auto-limpeza que resulta da existência de estruturas nanométricas na superfície das folhas. W. Barthlott [1] foi um dos primeiros investigadores a descortinar este efeito, na década de 70, sendo que, anos mais tarde, patenteou as suas descobertas sob o nome de Efeito Lótus - Lótus-Effect. Servindo-se do microscópio electrónico, que permitia obter imagens à escala do nanómetro, e atraído pela capacidade da flor em se manter imaculada, estudou a planta e observou que bastavam algumas gotas de água para arrastar as partículas de sujidade da superfície das suas folhas. Actualmente, muitos são os sectores industriais que procuram aplicar esta propriedade às respectivas unidades processuais. Exemplo disso mesmo são as tintas Lótusan - tintas de pintura de exteriores. O efeito Lótus é, ainda, um bom exemplo da obtenção de materiais bio miméticos, isto é, materiais que são obtidos a partir da imitação de estruturas naturais. Fig.1 Flor de Lótus. 1

8 1. Descrição do efeito de Lótus 1.1 Princípio da auto-limpeza O efeito Lótus [1] diz respeito à repelência muito elevada à água (superhidrofobia) apresentada pelas folhas da flor de Lótus. Este efeito também pode ser encontrado em muitas outras plantas como, por exemplo, Tropaeolum, Cane ou Columbine, e nas asas de alguns insectos. As folhas de lótus são auto-laváveis e repelem a água devido à combinação de duas características da superfície das suas folhas: as ceras de cobertura e as papilas - saliências/nervuras com 10 a 20 nm de altura e 10 a 15 nm de largura, nas quais se encontram as ceras epiticulares (Fig. 2). Fig. 2 Estruturas hierárquicas na superfície da folha de Lótus (papilas e as ceras epiticulares). As ceras epiticulares [2] são uma mistura complexa de lípidos que permite a redução da área de contacto entre as folhas e as gotas de água. Assim, tendo em conta que, a nível macroscópico, a humidade de um material, com ar e água como meio envolvente, depende da razão da tensão interfacial entre água/ar, material/água e material/ar, deduz-se a hidrofobicidade proveniente desta característica das folhas de Lótus. 2

9 Tais tensões superficiais [3] fazem com que as gotas de água adquiram uma forma mais esférica, o que resulta numa menor adesão à folha. Por essa razão, mesmo um ligeiro movimento da planta provoca o deslizamento das gotas (fig. 3). Estas, por sua vez, durante o referido movimento, transportam as partículas de sujidade, que aderem com grande facilidade. Fig. 3 Gotas de água na superfície da folha da flor de Lótus. Este efeito é de grande importância para as plantas pois actua como uma propriedade de defesa [3] contra agentes patogénicos como fungos, esporos, pó e /ou o crescimento de algas. Outro efeito positivo da auto-limpeza é a prevenção de contaminação da área de superfície da planta exposta à luz, resultando em maiores trocas de gases durante o processo de fotossíntese, o que o torna mais eficaz. 3

10 2. Conceito de super hidrofobicidade 2.1 Do hidrofóbico ao super-hidrofóbico O termo hidrofóbico [4] é referente às superfícies que têm aversão à água e, por definição, uma superfície hidrofóbica é aquela em que o ângulo de contacto com a água é superior a 90º (fig. 4). Assim sendo, a hidrofobicidade de uma superfície é determinada pelo ângulo de contacto: quanto maior o ângulo, maior a hidrofobicidade. Fig. 4 Ângulo formado por uma gota de água numa superfície hidrofóbica. A equação de Young relaciona a tensão superficial com o ângulo de contacto C (Eq. 1), em que E é a tensão superficial e S, L e V são as fases sólida, líquida e gasosa, respectivamente. cosc E SV E E LV SL Eq. 1 Equação de Young Estas superfícies, pelas características que apresentam, tendem a ser utilizadas, por exemplo, na remoção de óleo da água e na gestão dos derrames de petróleo. 4

11 Existem algumas superfícies que apresentam um ângulo de contacto [5] de, no máximo, 160º, o que significa que apenas 2 a 3% de uma gota se encontra em contacto com as folhas. Estas superfícies são designadas de super hidrofóbicas. Segundo Marmur existem 2 critérios que definem a superhidrofobicidade: um ângulo de contacto da àgua com a superficie muito elevado e um ângulo de inclinação, através do qual uma gota de água abandona a superficie, muito baixo. Plantas com uma superfície duplamente estruturada, como a flor de Lótus, podem alcançar um ângulo de contacto de 170 º, o que resulta no contacto real de uma gota com a superfície de 0,6%. O que faz com que a planta de Lótus apresente este ângulo de contacto é o ar que fica preso entre as papilas e as gotas de água. 5

12 3. Aplicações do efeito de Lótus 3.1 A indústria imita a natureza A Natureza fornece-nos sempre inspiração para a produção de novas e funcionais tecnologias, através da sua imitação. Utilizar a Natureza é o melhor método para resolver os problemas que a mesma apresenta. Assim sendo, vários investigadores utilizaram as propriedades da flor de Lótus, o chamado efeito de Lótus, para a produção de novos produtos. Existem muitas áreas de aplicação, mas as que mais se ressaltam pela vasta utilização e importância são as de revestimento, aplicações biomédicas e poupança de energia. i. Revestimento Nesta área de aplicação, o efeito de Lótus mostrou-se muito relevante nas indústrias de calçado, têxteis, construção e automóvel, entre outras, por, essencialmente, dois motivos: possibilidade de tornar certos objectos impermeáveis [6], como o calçado, a roupa, etc.; e proteger outros objectos de manchas, sujidade e aderência de gordura, como é o caso dos assentos de automóvel, jantes dos carros, etc.. É, de facto, muito importante nos dias que correm termos acesso a roupas impermeáveis e que estão protegidas contra a sujidade e gorduras, bem como o calçado impermeável ou ainda construções em vidro que nunca se sujam e não embaciam. Isto porque o ritmo de vida é cada vez mais acelerado. ii. Poupança de energia Relativamente às áreas de poupança de energia [6], é de frisar que existe um grande espectro de aplicações do efeito de Lótus e que o que está na sua base são as estruturas de retenção de ar debaixo de água. A super-hidrofobicidade que as folhas da flor de lótus apresentam impede a formação de filmes de água nas superfícies pois, devido à sua constituição, o ar fica preso entre as papilas, o que faz com que a interface ar/água seja ampliada, (por acção da rugosidade que estas conferem à folha de Lótus), enquanto que a interface água/sólido é reduzida. Assim sendo, reproduzindo o 6

13 efeito de Lótus, é possível criar estruturas, como tubulações, têxteis, etc., que durem mais tempo e poupem energia e dinheiro, por redução do atrito. Em qualquer tipo de locomoção o atrito constitui um dos maiores problemas, uma vez que acarreta a utilização de grandes quantidades de energia e, por conseguinte, de dinheiro. Aplicando este tipo de tecnologia, os efeitos do atrito são reduzidos e, consequentemente, também os custos e gastos de energia. São exemplos disto mesmo i) as construções submersas (aplicando esta tecnologia, estas ficam protegidas da corrosão provocada pelos elementos, (fundamentalmente a água), e da incrustação de animais e espécies marítimas); ii) os fatos de banho (redução da fricção provocada pelo mergulho, permitindo alcançar maiores velocidades); e iii) embarcações a produção de tintas anti-incrustação com base no efeito de Lótus, permite a menor aderência de organismos (algas, moluscos) e, por conseguinte, menor gasto de combustível. iii. Aplicações biomédicas Por último, no campo das aplicações biomédicas [7] há que ressaltar a grande importância da aplicação do efeito de Lótus como impulsionador da criação de superfícies anti-bacterianas e de micro-análise. Relativamente a este último aspecto, pode-se referir a tecnologia Lab-on-achip (fig. 5), a qual permite aos cientistas e investigadores conduzirem, de uma forma eficiente e rápida, várias experiências. Este tipo de chips tem um tamanho muito reduzido (poucos milímetros ou centímetros) e engloba em si uma multiplicidade de funções laboratoriais. Funciona com micro-gotas de líquido e é muito utilizada no crescimento e teste de células. Fig. 5 Tecnologia Lab-on-a-chip. 7

14 Pode-se ainda referir a grande utilidade deste efeito no que respeita à obtenção de instrumentos/utensílios médicos sempre limpos, livres de bactérias e fungos. 8

15 4. Aplicações industriais A empresa química BASF [8] trabalhou no desenvolvimento de materiais e revestimentos super-hidrofóbicos, combinando, habilmente, nanopartículas com polímeros hidrofóbicos, como polipropileno e polietileno. Um dos resultados destes esforços científicos foi a criação de um spray aerosol baseado no efeito Lotus e de muito fácil aplicação. A nanoestrutura do spray desenvolve-se por um processo de auto-organização durante a secagem. O spray é baseado num sistema de solvente e é formulado com um propulsor, como um spray de cabelo. Os sprays Lotus podem ser pulverizados sobre qualquer superfície, até mesmo as mais ásperas e difíceis de limpar como papel, couro e tecidos (fig. 6). Quando o seu efeito acaba (ou porque a camada que foi aplicada sobre a superfície foi exposta ao ar, fogo, etc., ou porque era muito fina) o spray é de fácil reaplicação. Actualmente, o spray tende a afectar a cor da superfície, quando aplicado sobre substratos escuros, porque as camadas aplicadas são ligeiramente opacas. Fig. 6 - Tecido pulverizado com Spray Lotus. 9

16 Conclusões Em suma, o efeito Lótus deve-se à existência de inúmeras saliências nanométricas na superfície da folha da planta, que diminuem a área de contacto entre as gotas de água e esta, criando uma interface ar/água. Este facto, juntamente com as ceras epiticulares que circundam as saliências, (papilas), fazem com que a superfície destas folhas seja super hidrofóbica, o que origina o efeito de auto limpeza: as gotas de água deslizam ao longo de toda a folha e até às suas extremidades, uma vez que não conseguem aderir a esta, levando consigo as partículas de sujidade. Este efeito pode ser empregue numa grande quantidade de aplicações, já que, imitando a estrutura hierárquica da superfície da folha desta flor, é possível a obtenção de diversos produtos do quotidiano que, tal como a folha de Lótus, são impermeáveis, anti-mancha, anti-bactérias e, portanto, mais resistentes e asseados. Como exemplos destes produtos temos tintas e telhas autolimpantes (fazem com que as superfícies dispensem manutenção constante), e como potenciais produtos temos vidros, espelhos, talheres e instrumentos cirúrgicos. Por último, é apresentada uma fotografia exemplar de uma estrutura que podia beneficiar da aplicação das propriedades do efeito Lotus (Fig. 7). Assim, o grupo QUI601 sugere que as paredes da FEUP sejam revestidas por um material com as referidas propriedades. Fig. 7 - Parede da biblioteca da FEUP [9] 10

17 Referências bibliográficas 1. Plágio ou inspiração? Tecnologia Natural A folha de lótus inspira superfície auto-limpante. (acedido em 30 de Setembro de 2010). 2. Koch K., Neinhuis C., Ensikat H-J., Barthlott W Self assembly of epicuticular waxes on living plant surfaces imaged by atomic force microscopy (AFM). Journal of Experimental Botany, 55, Karthick B., Maheshwari R Lotus- inspired Nanotechnology Applications. Resonance, 13, Pal S., Roccatano D., Weiss H., Keller H., Muller-Plathe F Molecular dynamics simulation of water near nanostructured hydrophobic surfaces: interfacial energies. Chemical Physics and Physical Chemistry, 6, Sarkar D.K., Saleema N One-step fabrication process of superhydrofobic green coatings. Surface and Coatings Technology. 204, Drive N Shine, Professional Automative Detailing The Lotus Flower Effect. (acedido em 1 de Outubro de 2010) 7. Mao C., Zhao W-B., Luo W-P., Liang C-X., et al Geometric bionics: Lotus effect helps polystyrene nanotube films get good blood compability. Nature preceding. 11

18 8. Biomimicry Database BASF Lotus Spray. (acedido em 11 de Outubro de 2010) 9. Pinto P Wikipédia, Biblioteca_FEUP.jpg, (acedido em 19 de Outubro de 2010) 12