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Equipa 601 EFEITO DE LOTUS
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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
Equipa 601 EFEITO DE LOTUS
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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.
Equipa 601 EFEITO DE LOTUS
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Índice
Agradecimentos .......................................................................................................... ii
Índice ............................................................................................................................ iii
Índice de Figuras ........................................................................................................ iv
Sumário .......................................................................................................................... v
Introdução ......................................................................................................... 1
1. Descrição do efeito de Lotus
1.1 Princípio de auto-limpeza ..................................................................... 2
2. Conceito de super–hidrofobicidade
2.1 Do hidrofóbico ao super–hidrofóbico ................................................................. 4
3. Aplicações do Efeito Lótus
3.1 A indústria imita a natureza ...................................................................................... 6
i. Revestimento ....................................................................................... 6
ii. Poupança de energia ........................................................................... 6
iii. Aplicações biomédicas ....................................................................... 7
4. Aplicações Industriais………………………………………………………………………………...………………….9
Conclusões .................................................................................................... 11
Referências bibliográficas ............................................................................. 12
Equipa 601 EFEITO DE LOTUS
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Índice de Figuras
Fig.1 – Flor de Lótus. ..................................................................................... 1
Fig. 2 – Estruturas hierárquicas na superfície da folha de Lótus (papilas e as
ceras epiticulares). ........................................................................................ 2
Fig. 3 – Gotas de água na superfície da folha da flor de Lótus. ........................ 3
Fig. 4 – Ângulo formado por uma gota de água numa superfície hidrofóbica. 4
Fig. 5 – Tecnologia “Lab-on-a-chip”. .............................................................. 7
Fig. 6 - Tecido pulverizado com “Spray Lotus”. ............................................. 9
Fig. 7 - Parede da biblioteca da FEUP [9] ........................................................ 10
Equipa 601 EFEITO DE LOTUS
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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 auto-
limpeza -, 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 defender-
se de agentes patogénicos e, simultaneamente, realizar um processo de auto-
limpeza.
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
Equipa 601 EFEITO DE LOTUS
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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.
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1. Descrição do efeito de Lótus
1.1 Princípio da auto-limpeza
O efeito Lótus [1] diz respeito à repelência muito elevada à água (super-
hidrofobia) 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.
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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.
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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.
LV
SLSV
E
EECcos
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.
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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 super-
hidrofobicidade: 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.
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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
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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-a-
chip” (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”.
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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.
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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”.
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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 auto-
limpantes (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]
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Referências bibliográficas
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superfície auto-limpante.
http://plagioouinspiracao.blogs.sapo.pt/2373.html (acedido em 30 de
Setembro de 2010).
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3. Karthick B., Maheshwari R. 2008. Lotus- inspired Nanotechnology
Applications. Resonance, 13, 1141-1145.
4. Pal S., Roccatano D., Weiss H., Keller H., Muller-Plathe F. 2005.
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surfaces: interfacial energies. Chemical Physics and Physical Chemistry,
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5. Sarkar D.K., Saleema N. 2010. One-step fabrication process of
superhydrofobic green coatings. Surface and Coatings Technology. 204,
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bionics: Lotus effect helps polystyrene nanotube films get good blood
compability. Nature preceding.
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8. Biomimicry Database. 2002. BASF Lotus Spray.
http://database.portal.modwest.com/item.php?table=product&id=1017
(acedido em 11 de Outubro de 2010)
9. Pinto P. 2007. Wikipédia, Biblioteca_FEUP.jpg,
http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Biblioteca_FEUP.jpg (acedido em 19
de Outubro de 2010)