Efeito Lótus. Mestrado Integrado em Engenharia Química. Projeto FEUP. Porto, outubro 2012

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1 Efeito Lótus Mestrado Integrado em Engenharia Química Projeto FEUP Porto, outubro 2012 Autores: Ana Almeida Ana Fraga João Oliveira João Sousa Miguel Granja Pedro Walgode Rafael Morais

2 Mestrado Integrado em Engenharia Química 1º Ano, 1º Semestre Ano Letivo: 2012/2013 Projeto FEUP Monitor: Victor Jardim Supervisor: José Miguel Loureiro

3 i Efeito Lótus Agradecimentos Ao longo do desenvolvimento deste relatório, realizado no âmbito da unidade curricular Projeto FEUP, existiram duas pessoas que foram muito importantes para a sua realização, o Doutor José Miguel Loureiro e o Engenheiro Victor Jardim, supervisor e monitor deste projeto, respetivamente. Ao Doutor José Miguel Loureiro, gostaríamos de agradecer por nos ter escolhido para desenvolver um efeito tão desconhecido e por estar sempre disponível para qualquer dúvida que surgisse ao longo do projeto. Ao Engenheiro Victor Jardim, agradecemos pela supervisão constante ao longo das aulas cedidas para realização do projeto em grupo, e pelo esclarecimento de qualquer dúvida que surgisse. Projeto FEUP Página i

4 ii Efeito Lótus Abstract The Lotus effect was discovered in the 70 s by the german botanist and bionics expert Wilhelm Barthlott that patented the technique of applying it in But the first product in the market only showed up 9 years later in Lótusan inks for façades. [1] The roughness of the Lotus flower has hydrophobic characteristics. This phenomenon is caused by the contact angle that the drop makes with its surface, allowing the flower to be always clean. Therefore, the plant has a "self-cleaning" surface, which made scientists research for the reason that led to such an amazing effect. After years of research, it was discovered that super hydrophobicity is caused by a contact angle between the drop and the surface larger than 150. This discovery was afterwards used to create products that provide this effect. This is a process of "nature mimicking". In Industry this effect is used to produce a wide variety of products that are used in a daily-base need, such as clothes, shoes, inks, varnishes, among others, making them water-proof and protecting them against any kind of dirt. Keywords: Lotus effect, hydrophobicity, self-cleaning, Lótusan. Projeto FEUP Página ii

5 iii Efeito Lótus Sumário O efeito Lótus foi descoberto na década de 70, pelo botânico e especialista em biónica, Wilhelm Barthlott que patenteou a técnica de aplicar este efeito em Contudo, o primeiro produto no mercado apenas apareceu 9 anos depois com as tintas Lótusan para fachadas. A rugosidade da flor de Lótus tem características hidrofóbicas. Este fenómeno é causado por um ângulo de contacto entre a gota e a sua superfície, permitindo que a flor esteja sempre limpa. Como tal, esta planta tem uma superfície com autolimpeza, que levou os cientistas a pesquisar a razão que levara a um efeito tão espantoso. Após anos de pesquisa, foi descoberto que a superhidrofobicidade é causada por um ângulo de contacto entre a gota e a superfície superior a 150. Esta descoberta foi posteriormente utilizada para criar produtos que proporcionassem este efeito. Este é um dos processos de nature mimicking. Na Indústria este efeito é utilizado numa grande variedade de produtos que são utilizados no dia a dia, como em roupas, calçado, vernizes, entres outros, tornando-os impermeáveis e protegendo-os contra qualquer tipo de sujidade. Palavras-Chave: Efeito Lótus, hidrofobicidade, autolimpeza, Lótusan. Projeto FEUP Página iii

6 iv Efeito Lótus Índice Agradecimentos... i Abstract... ii Sumário... iii Índice de Figuras... v 1. Introdução Descrição do Efeito de Lótus Conceito de superhidrofobicidade Aplicações do efeito Lótus Nature Mimicking Revestimentos Poupança de Energia Aplicações Biomédicas Aplicações Industriais do efeito Lótus Aplicações Industriais do Nanotol Conclusão Referências Bibliográficas Projeto FEUP Página iv

7 v Efeito Lótus Índice de Figuras Figura 1 - Flor de Lótus... 1 Figura 2 - Nanoestrutura microscópica da folha de Lótus... 2 Figura 3 - Ângulo de contacto entre uma gota e uma superfície... 3 Figura 4 - Painel Fotovoltaico... 9 Figura 5 - Televisão... 9 Projeto FEUP Página v

8 1 Efeito Lótus 1. Introdução A flor de Lótus é uma espécie da família Nymphaeaceae. Habita em lagos ou reservas aquáticas com uma temperatura amena, ácidas, paradas e pouco profundas. Com grandes rizomas e folhas de formato achatado, produz flores com quatro sépalas verdes, cada uma com grandes pétalas brancas ou rosas. Estas abrem durante a noite e fecham de manhã. A flor-de-lótus, também denominada de Lótus sagrado, é considerada divina para várias culturas, nomeadamente pelas Orientais. É um importante símbolo da criação do Universo para a cultura do antigo Egito e sagrada no Budismo e Hinduísmo, por estar ligada ao próprio Buda e por ter presenciado o nascimento de Brahma, o deus que criou os homens segundo a litologia Hindu. A própria posição mais conhecida do yoga tem por nome posição de Lótus. Em todo o Oriente ela é considerada como símbolo de pureza e de espiritualidade, já que suas folhas e flores saem imaculadas do lodo, mostrando à humanidade que devemos ficar acima do mundo material apesar de viver nele. [2] A capacidade hidrofóbica das folhas e da flor de Lótus foi descoberta por W. Barthlott na década de 70 e patenteada em 1990 com o nome de Efeito Lótus - Lótus-Effect. Ao estudar a planta, Barthlott verificou que bastavam algumas gotas de água para arrastar as partículas de sujidade da superfície das suas folhas, e por esse motivo estas mantêm-se sempre limpas (conceito de autolimpeza). Atualmente, tem uma grande aplicação em muitos setores industriais, como tintas de pintura de exteriores e autolaváveis. Figura 1 - Flor de Lótus Projeto FEUP Página 1

9 2 Efeito Lótus 2. Descrição do Efeito de Lótus O efeito de Lótus acontece devido a uma superfície repelente à água. As gotas escorrem pelas folhas levando consigo qualquer grão de poeira que esteja pelo caminho, graças a microestruturas de minúsculos nódulos como se vê na Figura 2. Os micronódulos não possuem superfície suficiente para que a água se apoie, logo, esta contrai-se em gotas, rolando pela superfície. Em superfícies normais, a água cobre toda a superfície e assume uma estrutura hemisférica, deixando o material humedecido. [3] As superfícies da folha de Lótus são também repulsivas para substâncias oleosas. [4] Figura 2 - Nanoestrutura microscópica da folha de Lótus Projeto FEUP Página 2

10 3 Efeito Lótus 3. Conceito de superhidrofobicidade O conceito hidrofóbico deriva do latim da palavra hidro que significa água e fóbico que significa aversão. A hidrofobicidade de uma superfície pode ser quantificada através da medida do ângulo de contacto estático de uma gota de líquido com uma superfície; quanto maior o valor do ângulo, maior será a hidrofobicidade da superfície [5]. Um material pode ser considerado hidrofóbico quando o ângulo de contacto for superior a 90, como se verifica na Figura 3. Figura 3 - Ângulo de contacto entre uma gota e uma superfície Quanto maior é o valor do ângulo de contacto menor é a suscetibilidade para a interação e o contacto entre as gotas e a superfície estudada, sendo maior a hidrofobicidade, chegando a existir superhidrofobicidade. Pode-se definir a superhidrofobicidade como um conjunto de características físico químicas que demonstram a capacidade de certas superfícies de repelirem as moléculas de líquido, orientado-as em formato esférico e com efeito autolimpante. As superfícies para serem consideradas superhidrofóbicas têm de possuir um ângulo de incidência entre as gotas do líquido e a superfície superior a 150. [6] Além disso, a superfície deve apresentar um grau acentuado de rugosidade com distâncias máximas entre os picos da textura e uma baixa energia de superfície que é a diferença entre as energias das espécies na superfície e no interior do material. Pelo facto de a Natureza tender para um estado em que a energia é mínima, as gotas de água são visíveis, nas plantas com as características da flor de Lótus, pois para formas geométricas com igual volume é aquela que tem menor área de contacto com a superfície. [7] Projeto FEUP Página 3

11 4 Efeito Lótus Existem hoje em dia diversos produtos químicos capazes de alterar as propriedades das superfícies de modo a serem superhidrofóbicas. Em relação à flor de Lótus, esta é considerada superhidrofóbica, pois consegue alcançar um ângulo de contacto entre as gotas de líquido e a superfície de 170. A equação de Young-Dupré (1) relaciona a tensão superficial com o ângulo de contacto θ, em que ϓ é a tensão superficial e S, L e V são as fases sólida, líquida e gasosa, respetivamente, como é visível na Figura 3. (1) Projeto FEUP Página 4

12 5 Efeito Lótus 4. Aplicações do efeito Lótus 4.1 Nature Mimicking Ao longo da evolução do Homem, a Natureza tem sido a sua melhor amiga. Através da observação dos fenómenos que ocorrem naturalmente no conjunto dos ecossistemas, o Homem procurou sempre arranjar uma explicação para a razão de ser de tais fenómenos, chegando muitas vezes a descobertas que viriam a mudar o Mundo. A observação da flor de Lótus e da sua limpeza excecional levou a vários trabalhos de investigação que permitiram descobrir o chamado efeito de Lótus que é utilizado nas mais variadas aplicações. O efeito Lótus tem sido uma inspiração para vários materiais inovadores, em diversas áreas, como por exemplo em áreas de revestimento, de poupança de energia e em aplicações biomédicas Revestimentos Esta aplicação, é uma das mais importantes no quotidiano, porque por um lado ajuda a tornar impermeável certos produtos industriais, tais como o calçado, roupa, tintas e vernizes, e por outro protege os objetos contra a sujidade, economizando a água em processos de limpeza.[8] Ao utilizar o efeito Lótus nos tecidos, uma gota de água ou de outros líquidos, como por exemplo, café, chá ou até mesmo vinho tinto, ao invés de se alastrar pela superfície do tecido molhando-o, manter-se-á no seu estado inicial e deslizará pelo tecido quando este se encontrar inclinado. Projeto FEUP Página 5

13 6 Efeito Lótus Poupança de Energia Com o aumento sistemático dos custos de produção, torna-se necessário encontrar soluções que contribuam para a sua redução. O efeito Lótus é, em alguns casos, uma solução a ter em conta. Um exemplo da utilização do efeito Lótus na poupança de energia é a sua utilização em detrimento de filtros de pó convencionais. Isto porque os filtros convencionais entopem rapidamente graças a, por exemplo, emulsões de óleo residual, sendo assim necessária a sua substituição. O entupimento dos filtros leva a um maior gasto de energia para ultrapassar a resistência que este começa a oferecer sendo necessária a sua manutenção frequente através de limpezas ou trocas de filtros. Filtros que usam o efeito de Lótus não sofrem deste problema, pois possuem uma proteção contínua pelo fato de repelirem os líquidos. A sua utilização consiste em fibras de poliéster não-separáveis e com estrutura aleatória com uma configuração progressivamente mais profunda e com densidade crescente para o lado do ar-limpo. Esta estrutura permite que as fibras sejam oleofóbicas e hidrofóbicas, levando a um escoamento muito mais rápido por parte dos líquidos separados desgastando menos os filtros. [9] Projeto FEUP Página 6

14 7 Efeito Lótus Aplicações Biomédicas Relativamente a este tipo de aplicação, o efeito de Lótus, tem grande uso, principalmente na criação de superfícies antibacterianas, mas também pode ser usado na aplicação de células estaminais ou na libertação de fármacos. Isto deve-se ao facto da produção de partículas esféricas e à deposição de gotas sobre superfícies superhidrofóbicas de líquidos. O projeto que desenvolveu uma nova forma de fabricar minúsculas partículas esféricas, que podem vir a ser utilizadas na libertação de fármacos ou na aplicação de células estaminais, foi o grande vencedor do 6.º Concurso Nacional BES Inovação, entregue em Lisboa pelo Presidente da República, Cavaco Silva (em 2010). Coordenado por João Mano, do grupo de investigação 3B"s (Biomateriais, Materiais Biodegradáveis e Biomiméticos) da Universidade do Minho, este projeto não só venceu a categoria de Tecnologias e Processos Industriais como o Grande Prémio Nacional BES Inovação, a que corresponde a uma distinção num valor total de 85 mil euros. Já patenteada pelo grupo 3B"s, esta tecnologia permite a produção de partículas esféricas da seguinte maneira: a deposição de gotas sobre superfícies super-repelentes de líquidos - como as folhas de Lótus ou as penas de algumas aves - permite que elas solidifiquem em partículas sólidas, ficando com uma forma quase esférica. As aplicações biomédicas podem ser inúmeras. Por exemplo, dentro dessas partículas podem encapsular-se fármacos, que depois serão libertados no corpo lentamente e de forma controlada, ou podem aprisionar-se células estaminais e utilizá-las na regeneração de certos órgãos e tecidos..[10] Projeto FEUP Página 7

15 8 Efeito Lótus 5. Aplicações Industriais do efeito Lótus Há certos produtos do dia a dia que hoje em dia são produzidos com materiais dotados do efeito Lótus: Guarda-chuva o tecido de muitos guarda-chuvas é impermeável; Frigideiras a cerâmica das frigideiras; Tintas as tintas são produzidas, de modo a que quando sujeitas a água não sejam deterioradas; Vestuário os tecidos são impermeáveis; Barcos o casco dos barcos é produzido com materiais que permitem que este esteja sempre seco; Automóveis a sua pintura, jantes e vidros; a pintura e as jantes destacam-se, pois além de permitirem que o carro permaneça seco, previnem a oxidação do metal; Casas-de-banho os materiais de construção previnem a sua humidade; Superfícies vítreas a sua limpeza é facilitada; por exemplo, quando chove as janelas ficam automaticamente limpas; Lentes óticas as lentes dos óculos graduados e de sol auto-desembaciamse. Projeto FEUP Página 8

16 9 Efeito Lótus 5.1 Aplicações Industriais do Nanotol Há produtos que ainda não são produzidos com capacidade de efeito Lótus, contudo há no mercado produtos que permitem a indução dessa capacidade. O Nanotol é um desses produtos. Permite a indução da capacidade de efeito Lótus nas mais variadas superfícies. É aplicado na forma de spray. Exemplos das superfícies onde o produto pode ser aplicado são: Monitores e televisores (Fig.5): ficam limpos por mais tempo e há menos acumulação de sujidade e de impressões digitais; que são facilmente limpos com um pano de microfibras de poliéster, por exemplo; Painéis fotovoltaicos (Fig.4): a aplicação de uma camada de Nanotol permite um rendimento mais elevado. Automóveis: podem ser facilmente lavados sem ser necessário o uso de produtos de limpeza, ou até pela própria chuva, não deixando quaisquer vestígios de sujidade (terra, detritos, etc.); o Nanotol pode ser vaporizado tanto na chapa como nos vidros do automóvel; Janelas, reservatórios e fachadas: aquando da aplicação do Nanotol, estas superfícies ficam revestidas de uma camada superhidrofóbica do produto, e ficam, por isso, mais tempo limpas e facilitam a sua limpeza, quando necessário; Instalações sanitárias: desde os vidros e espelhos aos outros utensílios sanitários, em todos eles pode ser aplicado o Nanotol, o que vai prevenir a humidade nas suas superfícies e garantir uma limpeza mais eficaz; [11] Figura 4 - Painel Fotovoltaico Figura 5 - Televisão Projeto FEUP Página 9

17 10 Efeito Lótus 6. Conclusão O efeito Lótus ocorre graças à superfície da folha de Lótus que possui micronódulos com área insuficiente para que a água se apoie, formando-se então gotas que deslizam pela superfície da folha. Deste modo as folhas são superhidrofóbicas, criando assim um efeito de autolimpeza, pois, através do rolamento das gotas de água, elas captam qualquer tipo de sujidade presente na planta e levam com elas essas partículas mantendo a planta imaculada. O efeito Lótus é utilizado em diversos tipos de aplicações através da imitação da natureza, ou seja, atualmente é possível proporcionar o efeito Lótus em superfícies que no seu estado natural não possuem tal efeito. Os exemplos mais significativos são a obtenção de produtos que se utilizam no quotidiano, como por exemplo roupa e calçado, que são facilmente manchados e que com a aplicação do efeito Lótus ficam impermeáveis e antimanchas (frequentes às refeições) 1, tornando assim os materiais mais resistentes e limpos. Por outro lado existem tintas e produtos que se podem aplicar em várias superfícies que impedem a sua sujidade e permitem uma poupança de energia no que toca à sua limpeza, dado que já são superfícies com autolimpeza. 1 Uma ideia a ser ponderada, seria a utilização de Nanotol nos restaurantes. Projeto FEUP Página 10

18 11 Efeito Lótus 7. Referências Bibliográficas [1] Patankar, Neelesh A "Mimicking the Lotus Effect: Influence of Double Roughness Structures and Slender Pillars." Langmuir no. 20 (19): [2] (acedido em 11 de outubro de 2012) [3] (acedido a 8 de Outubro) [4] (acedido a 30 de setembro de 2012) [5] Thielicke, W., Tecidos Hidrofóbicos (acedido a 2 de outubro de 2012) [6] A. Prado, L. Pereira, L. Santos, M. Sousa, N. Santos, R. Verceze, 2012, Superhidrofobicidade (acedido a 3 de outubro) [7] Ogeda, T., 2010, Ângulos de Contacto. (acedido a 15 de outubro) [8] Nanotechnology The Lotus Effect (acedido a 25 de setembro) [9] U. Taeger, Energy-efficient filter fleece withl effect, 26 de setembro de (acedido a 4 de outubro) [10] T. Firmino. Prémio BES para projeto inspirado na folha de lótus, 26 de outubro de (acedido a 7 de setembro) [11] (acedido a 11 de outubro) Projeto FEUP Página 11