FICHA DE TRABALHO LABORATORIAL DO ALUNO EXPERIÊNCIA D: MATERIAIS SUPER-HIDROFÓBICOS

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1 Nome do aluno:.. Data: FICHA DE TRABALHO LABORATORIAL DO ALUNO EXPERIÊNCIA D: MATERIAIS SUPER-HIDROFÓBICOS OBJECTIVOS: Compreender o conceito de materiais hidrofóbicos e hidrófilos. Examinar superfícies super-hidrofóbicas naturais versus superfícies normais.testar materiais inovadores e avançados que foram manipulados para serem super-hidrofóbicos, imitando materiais naturais à nano-escala, e comparação com materiais correntes. MATERIAIS: - Diferentes superfícies a testar: * 1 lâmina de vidro de microscópio * 1 pedaço plano de plástico de 10x10 cm (ex: corta um pedaço de uma folha de plástico lisa, como uma pasta de plástico, ou usa um CD.) * 1 pedaço plano de folha de alumínio de 10x10 cm * 1 folha de papel de filtro * Retalhos de têxteis para comparar (com cerca de 10x10 cm): - 3 retalhos de tecido Nano-Tex Resist Spills - 3 amostras de algodão 100% - 2 amostras de tecido feito de fibra sintética, como poliéster ou mistura de algodão/poliéster; neste protocolo, usámos um tecido de 70% poliéster e 30% algodão) - Diferentes agentes mancheadores para selecção * 1 copo de água * 1 copo de sumo e/ou 1 copo de coca-cola * Vinagre balsâmico ou vinho (1 copo) * Óleo alimentar (1 copo) * Molho de tomate (1 colher) Página 1 de 17

2 * Mostarda (1 colher) * Maionese (1 colher) * Solo orgânico (duas mãos-cheias) - Diferentes folhas de plantas (colhe no jardim da escola ou traz de casa) * Uma folha de planta comum, como a hera * Uma folha de lótus ou chagas - Frasco laboratorial cheio de água - Conta-gotas (ou pipetas Pasteur) para aplicar os agentes mancheadores líquidos Facas de plástico para aplicar os restantes agentes mancheadores - Um balde com detergente de lavagem e água (talvez seja necessário usar um balde para toda a turma) - 1 marcador indelével - Vários copos de plástico para deitar água e agentes mancheadores - Vários pratos de plástico para colocar materiais quando for realizado o teste aos materiais - Cola para papel e tesoura NOTA DE SEGURANÇA: Esta experiência não utiliza químicos mas apenas líquidos e sólidos comuns. Contudo, as manchas são possíveis, pelo que deves lavar bem as mãos e as superfícies depois de manusear. Usa protecção adequada do vestuário, luvas e protecção ocular. Recolhe todos os líquidos e água de lavagem em recipientes de vidro/plástico e despeja-os na pia. Todas as experiências serão realizadas por tua conta e risco. A Universidade de Aarhus (inano) e o consórcio NANOYOU não assumem qualquer responsabilidade por danos ou prejuízos sofridos em resultado das experiências descritas. PROCEDIMENTO Vais agora testar uma série de materiais, começando por materiais comuns e passando a materiais mais avançados. Quando testares os materiais com água ou outros líquidos, fá-lo colocando o material num prato de plástico de modo a recolher perfeitamente a água. Despeja a água recolhida entre as fases dos testes. PARTE 1: Compreender as propriedades superficiais: de hidrófilas a super-hidrofóbicas Uma propriedade superficial importante de um material sólido é o seu comportamento à molhagem, ou seja, de que modo os líquidos interagem com a superfície. Em quaisquer duas superfícies, as gotas podem: Página 2 de 17

3 Ter formas diferentes, Ser absorvidas ou repelidas, Tender a mover-se ou a deslizar de modo diferente sobre uma superfície inclinada. Parte 1a: A forma da gota Coloca em pratos de plástico as seis superfícies que vão ser testadas: uma lâmina de vidro, um pedaço de plástico, um quadrado de folha de alumínio, um quadrado de papel de filtro e uma folha de cada tipo. Coloca em cada material duas gotas de água. Q1. Quais são as formas das gotas nas diferentes superfícies? Preenche a tabela seguinte, desenhando a forma das gotas: Material Forma (perfil) da gota Alumínio Plástico Papel de filtro Vidro Folha comum Folha de chagas/lótus Q2. Descreve nas tuas próprias palavras as diferenças entre as formas das gotas. Página 3 de 17

4 Na tua opinião, que pode explicar estas diferenças? (Faz referência a respostas dadas na actividade preparatória) Parte 1b: De amigos da água a inimigos da água O comportamento da água na superfície está relacionado com a parte das moléculas apresentada no interface superficial que pode ser hidrófilo ( amigo da água ) ou hidrofóbico ( inimigo da água ). Pensa no que acontece quando deitas óleo na água o óleo tende a aglomerar-se e a formar uma grande gota e a permanecer à superfície da água. A razão é que o óleo é hidrofóbico e os dois líquidos tentam minimizar o contacto entre si. Há vários aspectos do comportamento da água na superfície de um material, mas um destes comportamentos pode ser usado para quantificar o comportamento à molhagem: Ao observar a forma da gota na superfície, é possível medir o ângulo de contacto, o ângulo a que uma gota de líquido toca na superfície sólida, conforme ilustrado na tabela seguinte. Quanto mais a superfície é inimiga da água, mais a gota de água se enrola numa conta para tentar minimizar o contacto com a superfície. As superfícies podem ser classificadas dependendo do seu ângulo de contacto, como se ilustra na Tabela seguinte, variando entre superfícies hidrófilas a intermédias, hidrofóbicas a superhidrofóbicas. Q3. De acordo com a experiência da Parte 1.a e a explicação anterior, preenche os dados em falta na tabela seguinte: Página 4 de 17

5 Forma (perfil) Valor do ângulo de contacto Tipo de superfície Materiais Q4. O papel de filtro comportou-se ao contrário dos outros materiais de que modo? Q5. Como pensas que podemos decidir se o papel de filtro é hidrofóbico ou hidrófilo? Como podemos ver, o facto de um material ser amigo da água ou inimigo da água pode observarse, olhando para a forma, bem como para a absorvência (como se viu no caso do papel de filtro) Página 5 de 17

6 Parte 1c: O deslizamento da gota Escolhe as duas superfícies mais hidrofóbicas (conselho: a folha de chagas/lótus deve ser uma delas). Usa uma colher ou uma pipeta Pasteur para deitar um pouco de água em cada superfície, levanta um pouco um lado da superfície e observa como a água desliza ou rola para fora da superfície. (Deve usar-se um recipiente para recolher a água e deve haver uma toalha de papel à mão). Q6. As gotas de água molham as superfícies (isto é, fica água nas superfícies quando paras de a deitar)? Que indicação tens? Dá uma resposta para cada tipo de superfície que testaste. Q7. As gotas de água rolam ou deslizam sobre a superfície? Deita um pouco de água em cada uma das duas superfícies e segura nelas horizontalmente com as mãos Q8. Consegues que uma gota fique imóvel sobre a superfície em cada um dos materiais? É fácil ou difícil? Descreve o que vês. Hidrofóbico versus super-hidrofóbico: Numa superfície hidrofóbica, as gotas de água são repelidas da superfície à sua frente. Isto afecta a maneira como a água se move sobre a superfície. Contudo, numa superfície super-hidrofóbica, a água é repelida com tal força que parece já não existir qualquer interacção entre as gotas e a superfície e a gota rola livremente em volta, quase como uma conta na superfície. Página 6 de 17

7 Q9. Com base nas observações e informações anteriores, qual das duas é a superfície mais hidrofóbica? Explica. Isto é consistente com as formas das gotas que foram usadas para avaliar estes tipos de superfícies? Q10. Escreve as tuas conclusões desta experiência: (refere cada parte da experiência) PARTE 2 Análise de um nanomaterial funcional. Como viste na primeira experiência, as folhas de lótus possuem a extraordinária característica de repelir totalmente a água, são super-hidrofóbicas. A consequência é que as gotas de água rolam para fora da superfície da folha, arrastando assim sujidade com elas. Este efeito, chamado de autolimpeza, torna a folha de lótus limpa e resistente à sujidade. Encontra-se o mesmo efeito noutras folhas, como as das chagas e de algumas cannas. De que modo funciona? Isto é nano! A análise detalhada com o microscópio electrónico de varrimento (SEM) de folhas que apresentam o Lotus-Effect revelou a presença de nanocristais de cera na superfície da folha. Estes cristais conferem uma camada repelente da água que é reforçada pela rugosidade da superfície: As gotas de água numa folha destas estão sobretudo em contacto com o ar que está aprisionado entre nanopilares por baixo da gota. Se pensarmos no caso ideal de uma única gota de água suspensa no ar, terá uma forma totalmente esférica. Para uma gota de água numa superfície com nano-estruturas, quanto mais ar estiver aprisionado na superfície por baixo da gota, mais perto estamos desta situação esférica ideal, tornando-a uma superfície super-hidrofóbica. No caso da folha de lótus, a gota tem um ângulo de contacto de cerca de 150º, o que força a água a tomar a forma de uma conta e a rolar para fora. A imagem seguinte mostra a ampliação progressiva de uma folha de chagas. Na última imagem da direita, são visíveis nanocristais com algumas dezenas de nanómetros de tamanho. Página 7 de 17

8 A B C D Figura 1. Planos aproximados da ampliação progressiva de uma folha de chagas revelando a presença de nanocristais superficiais (imagem da direita). (Autoria das imagens (A): A. Snyder, Exploratorium; (B, C): A. Marshall, Stanford University, (D): A. Otten and S. Herminghaus, Göttingen, Alemanha, todas as imagens pertencem à Rede NISE, reproduzidas segundo os termos e condições da rede NISE.) Aprender com a Natureza: O Lotus Effect. Os cientistas dos materiais há muito que usam produtos químicos diferentes para alterar as propriedades superficiais de determinadas superfícies. Pensa em utensílios de cozinha metálicos como frigideiras: uma camada de Teflon, que é um tipo de plástico, é aplicada na superfície metálica da frigideira para torná-la anti-aderente. No entanto, a química superficial só pode ser usada para criar superfícies hidrofóbicas e não super-hidrofóbicas. E, contudo, a super-hidrofobicidade encontra-se na natureza, por exemplo (como se vê nesta experiência) em certas folhas, como a folha de lótus, e em alguns animais, como nas pernas dos alfaiates (ver Figura 2). Nestes materiais naturais, como a folha de lótus, a super-hidrofobicidade é o resultado de uma interacção química (cristais de cera na superfície da folha) e nanotopografia (dimensões, forma, interdistância dos nanocristais). Figura 2. Dois exemplos de materiais naturais que exibem o efeito lótus: (esquerda) um alfaiate (Imagem: Izabela Raszkova, Wiki commons, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0); (direita): uma folha de lótus (Autoria da imagem: inano, Universidade de Aarthus, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0). Página 8 de 17

9 O Lotus Effect tem sido uma inspiração para vários materiais inovadores, como tintas, revestimentos e têxteis. Algumas empresas, como a Nano-Tex, Inc. estão agora a comercializar têxteis que são modificados para conferir propriedades super-hidrofóbicas aos seus têxteis. Este efeito é obtido através da presença de pêlos nanodimensionados na superfície das fibras que compõem o tecido. Nesta parte da experiência, vais analisar um têxtil que foi modificado a fim de replicar o Lotus Effect As aplicações são: - Revestimentos compatíveis com o ambiente e têxteis que repelem a sujidade e exigem menos limpeza. Incluem-se aqui materiais como tintas para fachadas, têxteis (incluindo vestuário pessoal) e revestimentos sanitários. Em todos estes materiais, a vantagem acrescida é que é necessária menos limpeza (e logo menos detergentes e águas residuais), com os consequentes benefícios para o ambiente. - Melhoria do desempenho de células solares (aplicação no campo energético). Um dos problemas com esta tecnologia é que os equipamentos são instalados ao ar livre e podem, por conseguinte, ficar extremamente sujos. Esta camada de sujidade escamoteia as áreas catalíticas das células solares e reduz, portanto, a sua eficiência e durabilidade. Dotando o painel solar de um revestimento superhidrofóbico, aquele é mantido consideravelmente mais limpo. Graças à rugosidade da nano-estrutura, o revestimento é transparente à luz ultravioleta, o que é uma necessidade nestes tipos de dispositivos. O revestimento super-hidrófobo é igualmente durável, o que reforça ainda mais o tempo de serviço do painel solar. 2a: Interacção com a água Coloca um retalho de Nano-Tex e um retalho de tecido de algodão normal num prato de plástico e deita um pouco de água sobre eles. Página 9 de 17

10 Q11. O tecido Nano-Tex comporta-se como que material da Parte 1a? De que modo? O algodão comporta-se como que material? 2b: Interacção com diferentes líquidos Agora, a fim de testar as aplicações do tecido Nano-Tex, comparamo-lo com algodão normal e com uma fibra semi-sintética. Para tal, precisas no total de dois retalhos de tecido de algodão, dois retalhos de um tecido semi-sintético e dois retalhos de Nano-Tex (cada um com cerca de 10x10 cm). Segue os passos seguintes. PASSO 1 O efeito de mancha Testar o efeito de líquidos (coca-cola, vinagre, óleo, etc.) e de líquidos espessos (maionese, mostarda, etc.). A fim de realizar esta experiência, prepara um copo com cada um dos líquidos, como se indica seguidamente: Escolhe dois tipos de líquidos (entre sumo, coca-cola, vinagre, vinho é óleo). Escolhe dois tipos de líquidos espessos (entre molho de tomate, mostarda, maionese). Coloca os teus três retalhos de tecidos diferentes em fila, algodão à esquerda, semi-sintético no meio e Nano-Tex à direita. Escreve num pedaço de papel o tipo de tecido e coloca-o por baixo de cada tecido (como indica a imagem seguinte). Página 10 de 17

11 Decide por que ordem vais colocar os líquidos e toma nota: Líquido 1 Líquido 2 Líquido Espesso 1 Líquido Espesso 2 Com a ajuda de uma pipeta ou um conta-gotas, coloca uma gota de cada líquido a ser testado em cada tecido. Usa uma colher ou uma espátula para colocar os líquidos espessos no tecido. Numa área disponível, assinala-o com um marcador indelével. Para comparar os tecidos, deves definir um determinado tempo de mancheamento para esta experiência (ex: 5 m) Indica-o na tabela seguinte. Ao fim do tempo determinado, remove os líquidos do tecido, absorvendo-os com uma folha de papel de cozinha. Usa um pano húmido para remover os líquidos espessos dos tecidos. Tem cuidado para não misturar os diferentes líquidos. Página 11 de 17

12 Nota: Todos os materiais testados deverão ser guardados para mais testes Q12. Regista as tuas observações na tabela apresentada. Em cada célula, refere dois aspectos, sempre que existam três níveis dentro de cada aspecto: Absorvido: Nada, um pouco, muito Manchado: Nada, um pouco, muito Tempo de mancheamento do líquido: segundos (preenche) Material/líquido escolhido 1 líquido 1 (por exemplo, sumo) 2 líquido 2 3 líquido espesso 1 (por exemplo, mostarda) 4 líquido espesso 2 Marcador Página 12 de 17

13 Tecido de algodão Tecido semi-sintético Nano-Tex Q13. Existiu uma diferença entre os tecidos? Explica Q14. As manchas saíram todas do Nano-Tex? Explica PASSO 2 O efeito de sujidade Neste passo, usa-se solo orgânico para comparar o tecido Nano-Tex com algodão normal e com um tecido semi-sintético. Página 13 de 17

14 Pega em três retalhos de tecido limpos e secos, um para cada tipo, e coloca um pouco de terra no meio de cada tecido. Dobra o retalho e esfrega-o e depois abre cada retalho de tecido, remove a terra de cada um e observa. Nota: Todos os materiais testados deverão ser guardados para mais testes Q15. Os tecidos ficaram todos sujos do mesmo modo? Descreve. Tenta agora limpar os tecidos com as mãos. Q16. Conseguiste limpar os tecidos? Existe uma diferença clara entre eles? Se sim, descreve que tipo de tecido foi possível limpar mais facilmente. Q17. Algum dos tecidos ficou completamente limpo com aparência de novo? Página 14 de 17

15 PASSO 3 Nível de limpeza Testar a facilidade de limpeza. Tenta agora limpar os três tecidos usados nos PASSOS 1 e 2 com água fria e sabão. Q18. Todos os tecidos ficam limpos? Se não, qual deles fica? Q19. Que tipo de tecido foi possível limpar mais facilmente? Q.20. Existe um tipo (ou mais) de nódoa que não saia das amostras de Nano-Tex? Qual? Por que razão pensas que isto acontece? De que modo funciona? O tecido Nano-Tex é modificado para replicar o Lotus Effect. Isto consegue-se através de um grande número de alfinetes ou pêlos muito pequenos na superfície das fibras. Assim, o tecido não contém um revestimento superficial (que poderia sair com a lavagem ou a transpiração); as fibras são antes nanomodificadas. O resultado é um material que é superhidrofóbico, como ilustra o ângulo de contacto medido e mostrado na Figura 3. NANO-TEX LOTUS * Mostra-se para efeitos de comparação uma imagem do ângulo de contacto de uma folha de lótus Figura 3. Imagens de alta resolução do tecido Nano-Tex (Imagens por cortesia da Nano-Tex, Inc., Copyright Nano-Tex. Inc). (Direita): imagens do ângulo de contacto de gotas de água no tecido Nano-Tex e folha de lótus (Imagens: inano; Universidade de Aarhus, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0). Página 15 de 17

16 A nano-estrutura da superfície que repele as gotas de água (assim como outros líquidos) explica o fenómeno de autolimpeza. Quando uma gota de água rola sobre o contaminante, a gota remove a partícula da superfície da folha, ao contrário de uma gota que desliza sobre a superfície, deixando partículas para trás (Figura 4). Figura 4. (Em cima) Diagrama que sintetiza a ligação entre rugosidade e autolimpeza: na imagem superior uma gota de água remove sujidade de uma superfície graças ao Efeito Lótus (em baixo): Representação gráfica de contaminantes e gotas de água numa folha de lótus (Autoria da imagem: de William Thielike, Wiki commons, Creative Commons ShareAlike 3.0) Q21. Escreve as tuas conclusões para a Parte 2 desta experiência: Q22. Que possíveis aplicações de nanomateriais existem? Explica. (Compara e discute com toda a turma) Vê com o teu professor o vídeo NANOYOU Video 4: Lotus Effect - Parte 2 Página 16 de 17

17 Neste vídeo, verás uma superfície modificada feita de sílica porosa que se encontra em desenvolvimento nos laboratórios da inano, Universidade de Aarthus, e que imita as propriedades da folha de lótus. Discute com o teu professor as aplicações em que pensas de estas propriedades poderiam ser úteis.... NOTA SOBRE AUTORIA: Esta experiência é parcialmente adaptada da actividade de Aplicação: Nano-Tex, AGRADECIMENTOS: Agrademos à Nano-Tex, Inc. pela sua amabilidade em disponibilizar um retalho do seu têxtil Nano-Tex (resistente a nódoas e derrames), e por fornecer imagens deste material. O autor deseja agradecer a Anton Ressine (inano, Universidade de Aarthus) por disponibilizar a amostra de sílica porosa apresentada nos vídeos desta experiência. Página 17 de 17