Hidrófobo

ângulo de contato de água de 165 graus em uma superfície modificada usando a química superficial do sistema de tecnologia de plasma. O ângulo de contato é o ângulo vermelho mais 90 graus.

Dew drop em uma superfície de folha hidrofóbica

gotas de água na superfície hidrofóbica da grama

Em química, hidrofobicidade é a propriedade física de uma molécula que é aparentemente repelida por uma massa de água (conhecida como hidrofóbica). Em contraste, os hidrófilos são atraídos pela água.

Moléculas hidrofóbicas tendem a ser apolares e, portanto, preferem outras moléculas neutras e solventes apolares. Como as moléculas de água são polares, os hidrófobos não se dissolvem bem entre eles. Moléculas hidrofóbicas na água geralmente se agrupam, formando micelas. A água em superfícies hidrofóbicas exibirá um alto ângulo de contato.

Exemplos de moléculas hidrofóbicas incluem os alcanos, óleos, gorduras e substâncias gordurosas em geral. Materiais hidrofóbicos são usados para remoção de óleo da água, gerenciamento de derramamentos de óleo e processos de separação química para remover substâncias não polares de compostos polares.

Hidrofóbico é frequentemente usado de forma intercambiável com lipofílico, "amante de gordura". No entanto, os dois termos não são sinônimos. Embora as substâncias hidrofóbicas sejam geralmente lipofílicas, há exceções, como os silicones e os fluorocarbonetos.

O termo hidrófobo vem do grego antigo ὑδρόφόβος (hýdrophóbos), "ter medo de água", construído a partir do grego antigo ὕδωρ (húdōr) 'água' e do grego antigo φόβος (phóbos) 'medo'.

Fundo químico

A interação hidrofóbica é principalmente um efeito entrópico originário da ruptura das ligações de hidrogênio altamente dinâmicas entre moléculas de água líquida pelo soluto apolar, fazendo com que a água forme uma estrutura semelhante a um clatrato ao redor das moléculas apolares. Essa estrutura formada é mais altamente ordenada do que as moléculas de água livres, devido às moléculas de água se organizarem para interagir o máximo possível entre si e, assim, resultar em um estado entrópico mais alto que faz com que as moléculas apolares se agrupem para reduzir a área de superfície exposta. à água e diminuir a entropia do sistema. Assim, as duas fases imiscíveis (hidrófila vs. hidrofóbica) mudarão de forma que sua área interfacial correspondente será mínima. Esse efeito pode ser visualizado no fenômeno chamado separação de fases.

Superhidrofobicidade

Uma gota de água em uma folha de planta de lótus

Superhidrofóbicas, como as folhas da planta de lótus, são aquelas extremamente difíceis de molhar. Os ângulos de contato de uma gota de água excedem 150°. Isso é conhecido como efeito lótus e é principalmente uma propriedade física relacionada à tensão interfacial, em vez de uma propriedade química.

Teoria

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

Uma gota líquida repousa sobre uma superfície sólida e é cercada por gás. O ângulo de contacto, θ_C, é o ângulo formado por um líquido no limite de três fases onde o líquido, gás e sólido interseto.

Uma gota que descansa em uma superfície sólida e cercada por um gás forma um ângulo de contato característicoθ. Se a superfície sólida é áspera, e o líquido está em contato íntimo com as asperidades sólidas, a gota está no estado de Wenzel. Se o líquido repousar nos topos das asperidades, ele está no estado Cassie-Baxter.

γ γ SG= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =γ γ SL+γ γ LGe⁡ ⁡ θ θ {displaystyle gamma _{text{SG}} =gamma _{text{SL}}+gamma _{text{LG}}cos theta ,}

onde

γ γ SG{displaystyle gamma _{text{SG}} } = Tensão interfacial entre o sólido e o gás

γ γ SL{displaystyle gamma _{text{SL}} } = Tensão interfacial entre sólido e líquido

γ γ LG{displaystyle gamma _{text{LG}} } = Tensão interfacial entre líquido e gás

θ pode ser medido usando um goniômetro de ângulo de contato.

Wenzel determinou que quando o líquido está em contato íntimo com uma superfície microestruturada, θ mudará para θ_W*

e⁡ ⁡ θ θ W∗ ∗ = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =Re⁡ ⁡ θ θ {displaystyle cos theta _{W}*=rcos theta ,}

onde r é a razão entre a área real e a área projetada. A equação de Wenzel mostra que a microestruturação de uma superfície amplifica a tendência natural da superfície. Uma superfície hidrofóbica (aquela que tem um ângulo de contato original maior que 90°) torna-se mais hidrofóbica quando microestruturada – seu novo ângulo de contato torna-se maior que o original. No entanto, uma superfície hidrofílica (aquela que tem um ângulo de contato original inferior a 90°) torna-se mais hidrofílica quando microestruturada - seu novo ângulo de contato torna-se menor que o original. Cassie e Baxter descobriram que, se o líquido estiver suspenso no topo das microestruturas, θ mudará para θ_CB*:

e⁡ ⁡ θ θ CBC∗ ∗ = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =φ φ (e⁡ ⁡ θ θ +1)- Sim. - Sim. 1{displaystyle cos theta _{text{CB}}*=varphi (cos theta +1)-1,}

onde φ é a fração de área do sólido que toca o líquido. O líquido no estado de Cassie-Baxter é mais móvel do que no estado de Wenzel.

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

<math alttext="{displaystyle cos theta e⁡ ⁡ θ θ <φ φ - Sim. - Sim. 1R- Sim. - Sim. φ φ {displaystyle cos theta < < frac - Sim.)<img alt="{displaystyle cos theta

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 superam as forças do corpo de peso de gota não suportado e 2) As microestruturas são altas o suficiente para evitar que o líquido que liga as microestruturas toque na base das microestruturas.

Um novo critério para a troca entre os estados Wenzel e Cassie-Baxter foi desenvolvido recentemente com base na rugosidade da superfície e na energia da superfície. O critério se concentra na capacidade de aprisionamento de ar sob gotículas de líquido em superfícies ásperas, o que poderia dizer se o modelo de Wenzel ou o modelo de Cassie-Baxter deve ser usado para certa combinação de rugosidade e energia da superfície.

O ângulo de contato é uma medida de 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 algum 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 avance 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 recuado agora é medido bombeando o líquido de volta para fora da gota. A gota diminuirá de volume, o ângulo de contato diminuirá, mas seu limite trifásico permanecerá estacionário até que repentinamente retroceda para dentro. O ângulo de contato que a gota tinha imediatamente antes de recuar para dentro é chamado de ângulo de contato recuado. A diferença entre os ângulos de contato de avanço e recuo é denominada histerese do ângulo de contato e pode ser usada para caracterizar a heterogeneidade, rugosidade e mobilidade da superfície. Superfícies que não são homogêneas terão domínios que impedem o movimento da linha de contato. O ângulo de deslizamento é outra medida dinâmica de 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 de Cassie-Baxter exibem ângulos de deslizamento e histerese de ângulo de contato mais baixos do que aqueles no estado de Wenzel.

Pesquisa e desenvolvimento

Dettre e Johnson descobriram em 1964 que o fenômeno do efeito lótus superhidrofóbico estava relacionado a superfícies hidrofóbicas ásperas e desenvolveram um modelo teórico baseado em experimentos com contas de vidro revestidas com parafina ou telômero TFE. A propriedade de autolimpeza de superfícies micronanoestruturadas superhidrofóbicas foi relatada em 1977. Perfluoroalquil, perfluoropoliéter e materiais superhidrofóbicos formados por plasma de RF foram desenvolvidos, usados para eletroumedecimento e comercializados para aplicações biomédicas entre 1986 e 1995. Outras tecnologias e aplicações foram surgiu a partir de meados da década de 1990. Uma composição hierárquica superhidrofóbica durável, aplicada em uma ou duas etapas, foi divulgada em 2002 compreendendo partículas de tamanho nanométrico ≤ 100 nanômetros sobrepondo uma superfície com características do tamanho de micrômetros ou partículas ≤ 100 micrômetros. As partículas maiores foram observadas para proteger as partículas menores da abrasão mecânica.

Em pesquisas recentes, a superhidrofobicidade foi relatada ao permitir que o dímero de alquilceteno (AKD) se solidifique em uma superfície fractal nanoestruturada. Desde então, muitos artigos apresentaram métodos de fabricação para produzir superfícies superhidrofóbicas, incluindo deposição de partículas, técnicas de sol-gel, tratamentos de plasma, deposição de vapor e técnicas de fundição. A oportunidade atual para o impacto da pesquisa reside principalmente na pesquisa fundamental e na fabricação prática. Debates surgiram recentemente sobre a aplicabilidade dos modelos de Wenzel e Cassie-Baxter. Em um experimento projetado para desafiar a perspectiva de energia de superfície do modelo de Wenzel e Cassie-Baxter e promover uma perspectiva de linha de contato, gotas 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. Os experimentos mostraram que a química e a geometria da superfície na linha de contato afetaram o ângulo de contato e a histerese do ângulo de contato, mas a área da superfície dentro da linha de contato não teve efeito. Também foi proposto um argumento de que o aumento da irregularidade na linha de contato aumenta a mobilidade da gota.

Muitos materiais hidrofóbicos encontrados na natureza dependem da lei de Cassie e são bifásicos no nível submicrométrico com um componente de ar. O efeito lótus é baseado neste princípio. Inspirado por ele, muitas superfícies superhidrofóbicas funcionais foram preparadas.

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

Um estudo apresenta uma superfície de pentóxido de vanádio que alterna reversivelmente entre superhidrofobicidade e superhidrofilicidade sob a influência da radiação UV. De acordo com o estudo, qualquer superfície pode ser modificada para esse efeito pela aplicação de uma suspensão de partículas V₂O₅ semelhantes a rosas, por exemplo, com uma impressora a jato de tinta. Mais uma vez, a hidrofobicidade é induzida por bolsas de ar interlaminar (separadas por distâncias de 2,1 nm). O efeito UV também é explicado. A luz UV cria pares elétron-buraco, com os buracos reagindo com o oxigênio da rede, criando vacâncias de oxigênio na superfície, enquanto os elétrons reduzem V⁵⁺ a V³⁺. As vagas de oxigênio são preenchidas por água, e é essa absorção de água pela superfície de vanádio que a torna hidrofílica. Com o armazenamento prolongado no escuro, a água é substituída por oxigênio e a hidrofilicidade é novamente perdida.

A maioria significativa das superfícies hidrofóbicas tem suas propriedades hidrofóbicas transmitidas pela modificação estrutural ou química de uma superfície de um material a granel, por meio de revestimentos ou tratamentos de superfície. Ou seja, a presença de espécies moleculares (geralmente orgânicas) ou características estruturais resulta em altos ângulos de contato da água. Nos últimos anos, os óxidos de terras raras demonstraram possuir hidrofobicidade intrínseca. A hidrofobicidade intrínseca dos óxidos de terras raras depende da orientação da superfície e dos níveis de vacância de oxigênio e é naturalmente mais robusta do que revestimentos ou tratamentos de superfície, tendo aplicações potenciais em condensadores e catalisadores que podem operar em altas temperaturas ou ambientes corrosivos.

Aplicações e potenciais aplicações

O concreto hidrofóbico é produzido desde meados do século XX.

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

Foi relatada uma rotina simples de revestimento de tecido de algodão com partículas de sílica ou titânia pela técnica sol-gel, que protege o tecido da luz UV e o torna superhidrofóbico.

Uma rotina eficiente foi relatada para tornar o polietileno superhidrofóbico e, portanto, autolimpante. 99% da sujeira em tal superfície é facilmente lavada.

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

Em produtos farmacêuticos, a hidrofobicidade das misturas farmacêuticas afeta importantes atributos de qualidade dos produtos finais, como dissolução e dureza do medicamento. Foram desenvolvidos métodos para medir a hidrofobicidade de materiais farmacêuticos.

O desenvolvimento de superfícies hidrofóbicas passivas de resfriamento radiativo diurno (PDRC), cuja eficácia na refletância solar e na emitância térmica é baseada em sua limpeza, melhorou a "autolimpeza" destas superfícies. PDRCs hidrofóbicos escaláveis e sustentáveis que evitam VOCs foram desenvolvidos.