Como la determinación del ángulo de contacto dinámico puede ayudar a comprender el funcionamiento de las superficies auto limpiantes.

Las superficies repelentes de la suciedad y fáciles de limpiar, adquieren cada vez más importancia para los nuevos productos inteligentes y la optimización de diferentes procesos tecnológicos.

 

Las superficies autolimpiantes pueden dividirse en tres categorías: superficies superhydrofóbicas, superficies superhidrofílicas y superficies fotocatalíticas. Las superficies superhidrofóbicas sucias son superficies que repelen el agua. Las superficies superhidrofílicas  dejan una película de agua con partículas sólidas que se deslizan con facilidad y las fotocatalíticas recubiertas químicamente eliminan la suciedad cuando son expuestas a la luz. A pesar de la comercialización de los recubrimientos superhydrofóbicos, el fundamento del proceso autolimpiante aún no está claro.

 

Butt, Vollmer et al. Recientemente presentó una superficie superhidrofóbica nanoporosa con función de autolimpieza, y describió con éxito en su trabajo el mecanismo del proceso de autolimpieza en la escala nanométrica. Los autores desarrollaron un modelo de gran calidad de superficie superhidrofóbica capaz de resistir altos grados de contaminación, incluyendo ambas superficies, hidrofóbicas e hidrofílicas de nanopartículas e indicaron al tamaño de poro del recubrimiento de la superficie como factor clave para la resistencia a la contaminación.

Para el experimento se utilizaron portaobjetos de vidrio recubiertos con nanofilamentos como modelo de superficie. Para simular contaminación hidrofóbica se utilizaron contaminantes tales como hollín o polvo, (Esquema 1,A) . Posteriormente las superficies fueron enjuagadas con gotas de agua para remover las partículas.

Esquema 1: Esquema ilustrativo del proceso de autolimpieza de (A) Partículas hidrofóbicas con polvo (Amarillo), (B) partículas hidrofóbicas con hollín (roja, 2R>p) y (C) película de partículas hidrofóbicas (roja, 2R<p) por una gota de agua (gris) en una superficie superhidrofóbica (azul). R: diámetro de la particular; p: diámetro del poro superficial.

Figure 1: Ángulos de contacto estático y ángulos de caída después de la autolimpieza de una superficie superhidrofóbica contaminada con polvos de partículas hidrofóbicas.

La Figura 1 muestra todas las superficies contaminadas por partículas hidrofóbicas con bajo resbalamiento (< 2°) y gran ángulo de contacto (> 150°) luego de la autolimpieza. El ángulo de contacto estático y los ángulos de resbalamiento fueron medidos utilizando el analizador óptico de ángulo de contacto OCA 35 de Dataphysics.

 

Para similar la contaminación más severa, las superficies fueron tratadas con diversas partículas hidrofílicas dispersas en etanol (Esquema 1, B, C).

El resultado está presentado en la figura 2 y conduce a las siguientes conclusiones:

  • Las partículas entre 10 y 50-µm y 1.5-µm (2R > p) no consiguieron penetrar el recubrimiento y fueron fácilmente removidas de la superficie con gotas de agua.
  • La mayoría de las partículas de 600-nm (2R ~ p) también fueron removidas, y las superficies mostraron un ángulo de deslizamiento (< 2°) y gran ángulo de contacto (> 150°).

Luego las partículas entre 80- y 200-nm (2R < p) consiguieron entrar, secarse dentro de los poros, y determinaron que la auto limpieza fallara. Los ángulos de contacto decrecieron entre 40° and 140°, respectivamente, y el ángulo de deslizamiento aumento por encima de 90°. En este caso, el tamaño de poro del recubrimiento deberá diseñarse tan pequeño como sea posible para obtener una alta resistencia a la contaminación.

 

Figura 2: Ángulos de contacto con el agua y caída (roll-off) después de la autolimpieza de una superficie superhidrofóbica contaminada con varias partículas hidrofílicas (seca de la dispersión de etanol)

 

Para una comprensión más profunda del mecanismo de limpieza, los autores monitorearon la interacción entre las partículas hidrofílica e hidrofóbicas entre 10- y 50-µm en una superficie superhidrofóbica y gotas de 10-µl, mediante microscopio con escaneo laser con focal (LSCM). Ellos encontraron que las gotas levantaron las partículas de la superficie como una película en la superficie de la gota formando lo que llamamos esfera de agua; y cuantificado las fuerzas implicadas en el proceso de autolimpieza. Además, se aplicaron tejidos de poliéster recubiertos de superficies superhidrófobas nanoporosas en un automóvil (las telas se fijaron en la parte delantera, trasera, ventanas traseras, y espejo lateral; locación Rhineland-Palatine área en Alemania, períodos: 257 días, temperaturas: −10-32°C, Humedad: 40-100%). No se encontró nanocontaminación entre los nanofilamentos, aun cuando se expuso las superficies a alta radiación ultravioleta, Lluvia, congelamiento, helada, insectos y suciedad industrial. Simulación de pruebas con pinturas y recubrimientos de Evonik Resource Efficiency GmbH, verificó la propiedad con una buena autolimpieza y alta resistencia a la contaminación comparo con los tejidos descubiertos y superficies de referencia. El ángulo de desplazamiento indica cuánto necesita una superficie para ser inclinada α para dejar caer una gota sobre su superficie. El ángulo de rodadura depende en gran medida de las condiciones de medición, como el tamaño de caída y la velocidad de inclinación. Para medir el ángulo de desplazamiento de forma precisa y reproducible, es importante trabajar con un sistema de inclinación electrónico como el TBU 100 que permite un control preciso de la velocidad de inclinación y el ángulo α. Las gotas suelen deformarse antes de rodar resultando en gotas deformadas que luego se deslizan sobre la superficie. La deformación de las gotas conduce a un ángulo de contacto de avance  θadv y  un ángulo de contacto de descenso  θrec. La diferencia de estos ángulos es el llamado histéresis de ángulo de contacto que es una medida de la rugosidad e inhomogéneneidad de la superficie.

En general, este trabajo presenta una superficie superhidrofóbica nanoporosa con alta resistencia a la contaminación, como se ha demostrado en un entorno de prueba real (en las ventanas de los coches) y escenarios de pruebas industriales.

Los autores enfatizaron que el tamaño de los poros del revestimiento juega un papel importante en el proceso de autolimpieza. Las superficies basadas en nanofilamentos con un tamaño de poro inferior a 500 nm podrían soportar la mayoría de los tipos de contaminación por partículas (tamaños: 600 nm-50 µm). De este modo, esta investigación ofrece ventajas considerables en la fabricación de superficies superhidrófobas autolimpiables.

Para esta investigación se utilizó el analizador óptico de ángulo de contacto OCA (DataPhysics Instruments GmbH, Germany).

 

Para más información, referirse al siguiente artículo:

When and how self-cleaning of superhydrophobic surfaces works; Florian Geyer, Maria D’Acunzi, Azadeh Sharifi-Aghili, Alexander Saal, Nan Gao, Anke Kaltbeitzel, Tim-Frederik Sloot, Rüdiger Berger, Hans-Jürgen Butt, Doris Vollmer; Sci. Adv. 2020, 6, eaaw9727; DOI: 10.1126/sciadv.aaw9727