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. 

Troung et al. (2022) estudam a fabricação de um painel solar de perovskita (PSC) com eletrodos livres de óxidos de condução transparentes (TCO). Para isso, materiais porosos, chamados de esponjas, foram fabricados para serem usados como camadas bloqueadoras de óxido de estanho dopado com flúor (FTO), um tipo comum de TCO. 

Essas esponjas continham nanotubos de carbono de parede simples (SWCNTs) que foram revestidos de rutilo (TiO2), assim é dado o nome SWCNT/TiO2. As esponjas foram sintetizadas pela técnica de deposição de nano-cluster de carbono (NCD), utilizando um eletrodo de grafite como fonte. 

Terminada a deposição, foi necessária uma etapa de recozimento a 400°C por 30 minutos para eliminar defeitos na estrutura dos nanotubos. Em seguida, esses nanotubos foram recobertos por uma fina camada de rutilo, também depositada pela técnica NCD. 

O substrato foi novamente aquecido a 400°C para promover a cristalização de TiO2. A espessura desta camada foi monitorada via SEM e TEM. Uma vez obtida a esponja, ela foi revestida com tinta à base de perovskita (MAPbI3) utilizando a técnica de deposição química de vapor e a técnica de spincoating. 

Para finalizar o painel, foi colocado um filme de ouro por meio da técnica de pulverização de corrente contínua (DCS), para atuar como eletrodo. Outro painel com o mesmo revestimento de rutilo, mas com FTO (nano-híbrido FTO/TiO2) como centro também foi sintetizado para comparar os resultados. 

Os resultados mostram que FTO/TiO2 tem melhor desempenho como camada de bloqueio para TCO, chegando até 91,1%; enquanto o SWCNT/TiO2 mal chega a 63,0%. Os painéis SWCNT/TiO2 obtiveram eficiência de apenas 7,2% na conversão da energia captada em energia elétrica. 

Por fim, os autores recomendam recriar esse experimento com SWCNTs de alta qualidade para melhorar a condução e a mobilidade da carga; e eles auguram um próspero futuro para o desenvolvimento de painéis solares de baixo custo, flexíveis e baseados em perovskita.