Dê uma olhada em Hokusai grande onda de kanagawaUma das obras de arte mais famosas do Japão, e as espetaculares cenas brancas quase parecem pintadas. No entanto, a espuma branca das ondas, a neve que cobre o Monte Fuji e as nuvens no céu não têm cor branca alguma. Seu brilho vem da dispersão da luz nas fibras abertas do papel washi tradicional.
Este efeito é conhecido como clareamento estrutural. Em vez de depender de uma substância colorida, surge da forma como a estrutura microscópica de uma substância interage com a luz.
O mesmo fenômeno básico é visível em toda a natureza. A maresia, as nuvens e a neve parecem extremamente brancas porque suas estruturas espalham a luz visível de forma extremamente eficiente. Efeitos semelhantes podem ser encontrados em tecidos vegetais e até mesmo nos ninhos protetores espumosos construídos por algumas rãs. Em muitos casos, essas estruturas contêm em grande parte ar, mas podem produzir uma brancura incrível sem quaisquer pigmentos.
Essa estratégia natural inspirou uma equipe internacional liderada pelo professor Isan Sivaniya, do Instituto de Ciências Integradas de Materiais Celulares (iCeMS) da Universidade de Kyoto, trabalhando com pesquisadores da Universidade Metropolitana de Tóquio e da Universidade Donghua. Seu objetivo era criar uma nova plataforma de materiais à base de espuma que pudesse resolver dois grandes desafios enfrentados pelos materiais comumente usados.
Alternativas ao dióxido de titânio e PFAS
Embalagens, filmes e revestimentos brancos geralmente dependem de dióxido de titânio (TiO)2), que fornece brilho e opacidade. No entanto, preocupações de segurança levaram recentemente a União Europeia a proibir o dióxido de titânio como aditivo alimentar.
Outro grupo de produtos químicos amplamente utilizado, conhecido como PFAS, ajuda o material a repelir água e óleo. Estas substâncias que contêm flúor estão cada vez mais sob escrutínio porque podem persistir no ambiente e representar uma ameaça ao ambiente e à saúde. Essas preocupações intensificaram os esforços em todo o mundo para encontrar alternativas.
Os pesquisadores resolveram ambos os problemas concentrando-se na estrutura física, em vez de produtos químicos adicionais. Eles criaram materiais porosos cuidadosamente controlados que imitam a forma como a espuma natural dispersa a luz, ao mesmo tempo que se inspiram nas superfícies repelentes à água encontradas nas folhas e pétalas de flores.
“Um grande desafio enfrentado pela ciência biomimética é realizar designs de materiais ecológicos inspirados na natureza na escala e no custo dos materiais existentes”, disse Assoc. Professor Taki Yanagishima da Universidade Metropolitana de Tóquio.
Solvente leve e suave faz espuma
O método de fabricação é relativamente simples. Primeiro, o polímero é exposto à luz. Essa luz quebra o polímero em pedaços moleculares menores. O material é então tratado com um solvente suave, que interage com essas peças e faz com que o polímero inche.
À medida que o material se expande, desenvolve uma rede aberta de poros microscópicos. Esta única mudança confere ao material duas propriedades úteis.
Dentro do material, a estrutura porosa dispersa a luz de forma tão eficaz que parece intensamente branca, sem qualquer cor adicional. Na superfície, a espuma desenvolve uma textura extremamente áspera que repele fortemente a água, tal como a superfície de uma folha de lótus.
A equipe chama esse processo de fotolitografia de espuma profunda (DFP).
De filmes poliméricos a tecidos
Em colaboração com investigadores têxteis da Universidade Donghua, uma das principais instituições da China em ciência e engenharia têxtil, os investigadores mostraram que o método funciona em mais do que apenas filmes de polímeros imprimíveis. Também pode ser aplicado em roupas.
Outra vantagem é que o processo não depende inteiramente do desenvolvimento de novos produtos químicos especiais. Os pesquisadores já demonstraram o DFP usando vários polímeros disponíveis comercialmente.
A plataforma de material imprimível resultante pode atingir resolução ultra-alta (20.000 dpi). Além disso, combina brancura estrutural com funcionalidade de gerenciamento de água sem dióxido de titânio e sem PFAS.
trabalho de construção no próprio material
Esta abordagem poderia criar novas oportunidades para materiais leves, reduzindo ao mesmo tempo a dependência de corantes minerais extraídos e produtos químicos fluorados persistentes.
Em vez de adicionar pigmentos para criar cor ou aplicar constantemente revestimentos químicos para controlar como a superfície interage com a água, os pesquisadores incorporaram essas propriedades diretamente na estrutura física do material.
Ao utilizar uma arquitetura microscópica para controlar a luz e a água, a tecnologia oferece uma abordagem fundamentalmente diferente e potencialmente mais sustentável para a concepção de materiais do dia-a-dia. Em vez de depender principalmente da química, os próprios materiais são estruturados para fornecer a função desejada.
