efeito de lotus

Efeito Lotus

Mestrado em Engenharia Química

QUI601

Porto, Outubro 2010

Equipa 601 EFEITO DE LOTUS

i

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


ii

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.


iii

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


iv

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


v

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


1

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.


2

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.


3

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.


4

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.


5

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.


6

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


7

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”.

http://www.gizmag.com/music-lab-on-a-chip-device/12402/picture/88645/


8

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.


9

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”.


10

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]


11

Referências bibliográficas

1. Plágio ou inspiração? Tecnologia Natural. 2009. A folha de lótus inspira

superfície auto-limpante.

http://plagioouinspiracao.blogs.sapo.pt/2373.html (acedido em 30 de

Setembro de 2010).

2. Koch K., Neinhuis C., Ensikat H-J., Barthlott W. 2004. Self assembly of

epicuticular waxes on living plant surfaces imaged by atomic force

microscopy (AFM). Journal of Experimental Botany, 55, 771-718.

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.

Molecular dynamics simulation of water near nanostructured hydrophobic

surfaces: interfacial energies. Chemical Physics and Physical Chemistry,

6, 1641-1649.

5. Sarkar D.K., Saleema N. 2010. One-step fabrication process of

superhydrofobic green coatings. Surface and Coatings Technology. 204,

2483-2486.

6. Drive’N’Shine, Professional Automative Detailing. 2010. The Lotus

Flower Effect.

http://www.driveandshine.co.uk/wordpress/index.php/services/nanolex-

all-surface-protection-products/ (acedido em 1 de Outubro de 2010)

7. Mao C., Zhao W-B., Luo W-P., Liang C-X., et al. 2009. Geometric

bionics: Lotus effect helps polystyrene nanotube films get good blood

compability. Nature preceding.

http://plagioouinspiracao.blogs.sapo.pt/2373.html

http://www.driveandshine.co.uk/wordpress/index.php/services/nanolex-all-surface-protection-products/

http://www.driveandshine.co.uk/wordpress/index.php/services/nanolex-all-surface-protection-products/


12

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)

http://database.portal.modwest.com/

efeito de lotus

Documents