Superfícies superhidrofóbicas bioinspiradas têm um ângulo de contato de gota de água estático e dependem de uma combinação de materiais de baixa energia de superfície e designs de textura da superfície para alcançar certas propriedades. 

Tais superfícies possuem uma ampla gama de aplicações possíveis. Por exemplo, materiais superhidrofóbicos (incluindo revestimentos, tecidos e componentes a granel) com boa resistência à abrasão, resistência química e resistência ao impacto (por exemplo, impactos por partículas sólidas e/ou gotas/jatos de água) foram estudados anteriormente. Um dos principais desafios é a fragilidade mecânica das asperezas, que fazem parte da textura da superfície, e a resistência ao empalamento por meniscos líquidos dinâmicos (por exemplo, aqueles que aparecem durante o impacto de líquidos nas superfícies).

Os autores apresentaram uma nova abordagem para preparar nanocompósitos superhidrofóbicos porosos e volumosos com uma estrutura nanoporosa na superfície, conectada a poros em microescala no interior. Foram usadas esponjas de poliuretano (PU) como moldes para impregnação controlada de partículas de  politetrafluoretileno reforçado com nanotubos de carbono. Essa mistura foi dispersa em etanol para impregnar a esponja de PU seguida de sinterização.

É importante ressaltar que os autores formaram uma camada excessiva de mistura da mistura no modelo de esponja para obter nanoporosidade superficial. Após impregnação e secagem, a esponja de PU foi removida por degradação térmica. Os nanocompósitos e nanoporosos resultantes apresentavam canais em nanoescala na superfície e microporosidade no volume (com variações associadas na rigidez mecânica).

Figura 1: Etapas de fabricação dos nanocompósitos superhidrofóbicos porosos, com uma estrutura hierárquica apresentando poros finos na superfície conectados a microcanais/poros no interior. Fonte: (Wu et al. 2023).

A resistência ao impacto dinâmico e ao empalamento por gotas e jatos de água é essencial para superfícies superhidrofóbicas para atender a uma variedade de aplicações. Por exemplo, durante tempestades ou furacões, os componentes da infraestrutura devem resistir ao impacto de quedas d'água em alta velocidade.

Os canais em nanoescala na superfície, bem como a estrutura porosa dentro do nanocompósito, permitiram que eles resistissem a jatos de água com velocidades de até 85,4m/s (ou seja, bem dentro dos limites de velocidade de furacão de categoria 5).

Em aplicações como condensadores de vapor ou gerenciamento térmico, o material experimenta altas temperaturas. No entanto, agentes de acoplamento de silano ou alguns polímeros normalmente usados na fabricação de superfícies superhidrofóbicas são suscetíveis a se degradarem termicamente.

Com seus ingredientes racionalmente selecionados, os nanocompósitos desenvolvidos também podem manter a superhidrofobicidade após serem aquecidos a 400ºC, imersos em água fervente por 180 minutos ou expostos a uma chama de álcool. A colisão de partículas é inevitável em aplicações da vida real, como infraestrutura externa ou sistemas de transporte. O impacto de partículas pode alterar a topografia da superfície e, muitas vezes, a química da superfície.

Além disso, os nanocompósitos, com uma microestrutura hierarquicamente porosa e reforçada com nanotubos de carbono, apresentaram excelente resistência à abrasão mecânica de longa distância, imersão de longo prazo em meios altamente corrosivos, como água régia e solução de hidróxido de sódio, ou exposição a UV.

Os autores afirmam também que as superfícies eram gelofóbicas (onde não há adesão ao gelo) e sua gelofobicidade poderia ser aumentada impregnando-as com uma mistura de polidimetilsiloxano e óleo de silicone. Em resumo, os autores introduziram uma nova abordagem de modelo para a fabricação de nanocompósitos superhidrofóbicos com robustez mecanoquímica adequada para uma diversidade de condições extremas. 

Esses nanocompósitos podem servir aplicações em campos industriais severos ou sob condições climáticas adversas, que até agora se mostraram indescritíveis para materiais superhidrofóbicos. O que os tornam materiais interessantes para aplicações em áreas de condições extremas e apresentam propriedades que possam garantir a resistência de estruturas em adversidades. 

Antes de iniciar o texto, vamos definir o que é um MXene. A princípio, parece um nome estranho para um material, porém ele se origina dos materiais bidimensionais, compostos por uma única camada de átomos. As estruturas 2D vêm de um grupo de precursores chamado de MAX Phases. 

A sigla MAX representa a composição química desse grupo de cerâmicos, dada por: um metal de transição (M), um elemento da família (A) e carbono ou nitrogênio (X). No processo de produção dos derivados bidimensionais, ocorre a retirada do elemento (A), o que explica a origem do termo “MX”. Somando com o termo em inglês “graphene”, temos o MXene. Certo?

O artigo apresenta a importância de sensores de gás em temperatura ambiente altamente sensíveis, que são cada vez mais exigentes hoje porque são necessários em áreas de monitoramento da qualidade do ar, aplicações de saúde e segurança alimentar. 

Com isso, os materiais MXenes, sendo os novos materiais 2D, combinam as boas propriedades de superfície em grupos funcionais e alta condutividade elétrica, o que indica que eles têm o potencial de produzir um ótimo material de detecção para temperaturas ambiente.

Vários polímeros condutores têm sido amplamente utilizados em sensores de gás devido à sua alta sensibilidade, baixo custo e capacidade ser operado em temperatura ambiente. Como um semicondutor típico, o artigo cita a polianilina (PANI), que tem sido amplamente utilizada em sensores de gás.

Com isso, os autores apontaram o enorme potencial dos materiais MXenes e da polianilina, devido a alta sensibilidade ao gás em temperatura ambiente, e propuseram um material híbrido de MXene/PANI, sendo o PANI/Ti3C2Tx.

Após testes de desenvolvimento com o material, os autores realizaram a fabricação de um nanocompósito PANI/Ti3C2Tx baseado em sensor de gás flexível de alto desempenho com sucesso. 

Combinando as simulações e medições eletrossensíveis, a boa atividade de detecção foi atribuída à alta absorção catalítica dos grupos funcionais presentes na superfície do Ti3C2 e do efeito sinérgico dos compósitos.

Os autores também realizaram testes de propriedades mecânicas dos sensores de gás e, para vários estados de tensão, a resposta foi positiva. Além de fornecer também uma motivação para utilizar materiais MXenes para empregos em sensores eletrônicos flexíveis.

Os autores finalizam, através de testes, que o material apresentou alta sensibilidade ao etanol e alto tempo de resposta em temperatura ambiente, tornando este tipo de material para detecção como a próxima geração de materiais que podem detectar rapidamente vazamentos de gases em tempo real.