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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Our study to investigate the wettability of flat and structured surfaces in pillars based on two- dimensional simulations, using the Potts cellular model (CPM). We can find a superhydropic character on the surface when they presented: (I) High value of the contact angle (θ > 150°) formed between the liquid and the surface and (II)low hysteresis of the contact angle (Δθ< 10°). The drop on a surface may have two states of wettability: Cassie- Baxter, the liquid remains on the pillars surface, known as heterogeneous state or "fakir", and Wenzel, the liquid enters the cavities of the surface and is called state homogeneous. These studies show that between these two states there is an energy barrier that, when overcome, causes the transition of states. In our previous works, we also presented a model of at surface with a hydrophobic character, in order to obtain a surface with superhypophobic behavior (minimum contact between the drop and the surface). We studied which parameters can intensify this behavior and facilitate a possible transition. Thus, our structure of the surface with pillars and we vary the distance between them (b) and their height (h) to determine the transition zone of states. From the transition diagram, it was possible to analyze the behavior of parameters, such as contact angle, hysteresis and solid contact fraction in the regions near and far from the transition and also. We analyze how the parameters of the Potts model interfere in the wettability. In this study of the transition of states, we compared our model with the molecular dynamics model and therefore, having our results consistent with the experimental results found in the literature. Finally, we analyze how the reentrancy on the pillars influence the transition line. Nosso estudo sobre molhabilidade de superfícies planas e estruturadas em pilares é baseado em simulações bidimensionais, com o auxílio do modelo celular de Potts (CPM). Podemos encontrar um caráter superhidróbico na superfície quando forem apresentados: (I) Alto valor do ângulo de contato (θ > 150°) formado entre o líquido e a superfície e (II) baixa histerese do ângulo de contato (Δθ< 10°). A gota sobre uma superfície poderá ter dois estados de molhabilidade: Cassie-Baxter, o líquido permanece sobre os pilares da superfície, conhecido como estado heterogêneo ou “faquir”, e Wenzel, o líquido entra nas cavidades da superfície e é chamado de estado homogêneo. Estudos mostram que entre esses dois estados existe uma barreira de energia que, quando superada, ocasiona a transição de estados. Em nossos trabalhos anteriores, modelamos uma superfície plana com caráter hidrofóbico, a fim de obter uma superfície com comportamento superhidrofóbico (mínimo contato entre a gota e a superfície). Estudamos quais parâmetros podem intensificar esse comportamento e facilitar uma possível transição. Assim, estruturamos a superfície com pilares e variamos a distância entre eles (b) e sua altura (h) para determinar a zona de transição entre estados. A partir do diagrama de transição, foi possível analisar o comportamento de parâmetros, como o ângulo de contato, a histerese e a fração de contato sólido, nas regiões próximas e distantes da transição. Analisamos como os parâmetros do modelo de Potts interferem na molhabilidade. No estudo da transição de estados, comparamos nosso modelo com o modelo de dinâmica molecular, tendo, assim, resultados coerentes com os resultados experimentais e teóricos encontrados na literatura. E por fim, analisamos como as reentrâncias sobre os pilares influencia na linha de transição.

A super-hidrofobicidade é uma característica presente em diversas superfícies encontradas na natureza, conferindo-lhes determinadas características como a autolimpeza. Um dos mais conhecidos exemplos de superfície super-hidrofóbica autolimpante é a da folha de Lótus, que apresenta uma camada de retenção de ar importante entre as cavidades da superfície. Essa retenção de camada de ar entre cavidades é característica marcante de determinadas superfícies super-hidrofóbicas, e tem atraído grande atenção nos últimos anos, por ser de alto interesse tecnológico, econômico e ecológico. Algumas espécies apresentam superfície que retêm essa camada de ar por apenas algumas horas, ou dias. Em outras espécies, porém, ela se mantém por longos períodos. Uma das superfícies mais complexas é a da samambaia flutuante Salvinia, que é capaz de manter uma camada de ar estável durante várias semanas, mesmo quando submersa na água. Diversos estudos têm sido promovidos para fins de desenvolver tecnologias capazes de promover a retenção de ar na superfície por períodos longos, as quais têm grande potencial de aplicação no setor naval, por exemplo, pois serviriam para reduzir o arrasto hidrodinâmico quando utilizadas no revestimento de embarcações, diminuindo o consumo de combustível. Neste trabalho, buscou-se obter, através da mimetização da estrutura da Salvinia e suas espécies, uma superfície super-hidrofóbica retentora de camada de ar capaz de reduzir o arrasto hidrodinâmico. Desenvolveram-se, para tanto, revestimentos formados em duas etapas: uma base formada por fibras de poliamida para gerar rugosidade – aplicadas por flocagem eletroestática –, as quais foram cobertas, via spray, por um organosilano (hidrofóbico). Então, foram caracterizadas as propriedades dos revestimentos quanto à morfologia, ângulo de contato, ângulo de rolamento e volume de ar preso na superfície, bem como realizados testes para verificar sua capacidade de redução de arrasto hidrodinâmico. Os revestimentos super-hidrofóbicos desenvolvidos neste trabalho apresentaram camada de ar sobre a superfície e os testes demonstraram redução de arrasto hidrodinâmico de até 30%. Super-hydrophobicity is a characteristic found in several surfaces of nature, which gives them certain features such as self-cleaning. One of the most well-known examples of a super-hydrophobic self-cleaning surface is the one present on the Lotus leaf, that contains an important layer of air retention between the cavities of the surface. This layer of air retention between cavities is a characteristic of some superhydrophobic surfaces, and has attracted a lot of attention recently, from technological, economic and ecological fields. Some species have a surface that holds this layer of air for only a few hours or days. Other species, however, maintain that for long periods of time. One of the most complex surfaces is the floating fern Salvinia - able to maintain a stable air layer for several weeks, even when submerged in water. Several studies have been carried out to develop technologies able to keep the air retention on surface for long periods, as they have a great potential to be applied in the naval sector, for instance, because they could reduce the hydrodynamic drag when used in the coating of boats, also reducing fuel consumption.The aim of this work is to obtain, by mimicking Salvinia’s structure and its species, a super-hydrophobic air-layer retaining surface, capable of reducing hydrodynamic drag. For this purpose, coatings composed in two stages were developed: a base composed by polyamide fibers to generate roughness - applied by electrostatic flocking - and covered by an organosilane (hydrophobic) spray. Then, the properties of the coatings were characterized in terms of morphology, angle of contact, rolling angle and volume of air hold on the surface, as well as tests to check their hydrodynamic drag reduction capacity. The super-hydrophobic coatings developed in this work have presented an air layer on surface and the tests has shown a hydrodynamic drag reduction for of up to 30%.

Superfícies superhidrofóbicas têm sido objeto de muitos estudos devido ao grande interesse científico e tecnológico para aplicações como autolimpeza, anticorrosão, separação água/óleo, microfluídica, dentre outras. A superhidrofobicidade depende das características químicas e topologia das superfícies. Neste trabalho, foi desenvolvido um novo método de produção de revestimento superhidrofóbico nanoestruturado em materiais fibrosos, utilizando o processo de deposição de espuma. Com base no método desenvolvido, revestimentos nanocompósitos de politetrafluoretileno e nanopartículas de óxido de cálcio foram depositados sobre fibras de Poliácido láctico para avaliação de superhidrofobicidade. A influência de parâmetros de processo como, concentração de nanopartículas de óxido de cálcio, concentração de politetrafluoretileno, temperatura de polimerização e tempo de polimerização, foi avaliada. O revestimento foi caracterizado por ângulo de contato, difração de raios-x, espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier e reflectância total atenuada, microscopia eletrônica de varredura, microscopia de força atômica, microscopia eletrônica de transmissão e espectroscopia de raios-x de dispersão de elétrons, espectroscopia fotoeletrônica por raios-x, ensaio de repelência a líquidos com vários valores de tensão superficial, ensaio de verificação da autolimpeza e ensaio de resistência a lavagem e abrasão. Os resultados de difração de raios-x e espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier indicaram a presença de politetrafluoretileno e nanopartículas de óxido de cálcio sobre a superfície das fibras de Poliácido láctico, confirmando a deposição do revestimento pelo processo desenvolvido. Dentre os parâmetros de processo estudados, a condição de 0,6% sobre o peso do material (spm) de nanopartículas de óxido de cálcio, 80 g/l de politetrafluoretileno, 140°C e 90 segundos de polimerização resultou no maior valor de ângulo de contato para o revestimento de politetrafluoretileno/nanopartículas de óxido de cálcio (159,67° ± 1,05°). As imagens de microscopia eletrônica de varrimento, microscopia eletrônica de transmissão e espectroscopia de raios-x de dispersão de elétrons e microscopia de força atômica mostraram nanopartículas de óxido de cálcio com formas esférica e retangular e alterações morfológicas e topográficas na superfície das fibras de Poliácido láctico com a deposição do recobrimento. A espectroscopia fotoeletrônica por raios-x confirmou a existência da presença de elemento químico flúor na superfície do revestimento. Os resultados dos testes de repelência aquosa realizados utilizando uma série de soluções de água/álcool isopropílico com diferentes tensões superficiais indicaram repelência da superfície revestida a todas as soluções testadas. As fibras com o revestimento de politetrafluoretileno/ nanopartículas de óxido de cálcio também apresentaram propriedade de autolimpeza fazendo com que uma gota de água removesse a sujeira da superfície. O revestimento manteve a superhidrofobicidade mesmo após 25 ciclos de lavagem e 100 ciclos de abrasão. Em resumo, o processo de fabricação apresentado nesta pesquisa utilizando a deposição de espuma mostrou-se simples e prático para deposição de revestimentos superhidrofóbicos em fibras e tecidos. O revestimento de politetrafluoretileno/nanopartículas de óxido de cálcio depositado em fibras de Poliácido láctico via deposição de espuma apresentou propriedades superhidrofóbicas. Superhydrophobic surfaces are of great scientific and technological interest for applications such as self-cleaning, anticorrosion, oil/water separation, microfluidics, among others. The superhydrophobicity depends on surface chemistry and topology. In this work, a new method for producing nanostructured superhydrophobic coatings on fibrous materials using foam deposition was developed. Based on the developed method, polytetrafluoroethylene/calcium oxide nanocomposite coating was deposited on polylactic acid fibers and the superhyphobicity was evaluated. The influence of processing parameters such as nanoparticle concentration, polytetrafluoroethylene concentration, polymerization temperature and polymerization time was evaluated. The nanocoating was analyzed by contact angle, X-ray diffraction, Fourier transform infrared spectroscopy, scanning electron microscopy, atomic force microscopy, transmission electron microscopy and electron-dispersive X-ray spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, liquid repellency test with various surface tension values, self-cleaning check test and wash and abrasion resistance test. The results of X-ray diffraction and Fourier transform infrared spectroscopy indicated a presence of polytetrafluoroethylene and calcium oxide nanoparticles on the surface of the polylactic acid fibers, confirming the deposition of the coating by the process developed. Among the processing parameters studied, the condition of 0.6 wt.% of calcium oxide nanoparticles, 80 g/l polytetrafluoroethylene, 140 °C and 90 seconds of polymerization resulted in the highest contact angle value for the nanocomposite coatings (159.67° ± 1.05°). Scanning electron microscopy images, transmission electron microscopy and electron-dispersive X-ray spectroscopy and atomic force microscopy showed calcium oxide nanoparticles with spherical and rectangular shapes and morphological and topographic changes on the surface of polylactic acid fibers with the deposition of the coating. X-ray photoelectron spectroscopy confirmed the presence of the chemical element fluorine on the surface of the coating. The results of the aqueous liquid repellency tests performed on the coated surface using a series of isopropyl alcohol/water solutions of different surface tensions indicated repellency to all tested solutions. The self-cleaning properties of the coated fibers were determined by the removal of dirt by water droplet flow. The nanocomposite coating maintained the superhydrophobicity even after 25 wash cycles and 100 abrasion cycles. In summary, the manufacturing process presented in this research using foam deposition, proved to be simple and practical for the deposition of superhydrophobic coatings in fibers and fabrics. The polytetrafluoroethylene/calcium oxide coating deposited on polylactic acid fibers by foam deposition showed superhydrophobic properties.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Cellulose is a biopolymer available in abundance in nature, which presents very interesting properties mainly for the textile, packaging and paper industry. However, due to its strongly hydrophilic character, resulting from the presence of a large number of free hydroxyl groups in its molecule, its use in certain areas becomes limited. In order to promote the modification of the wetting characteristic of the cellulose, and make it superhydrophobic, samples of this material were submitted to plasma processes performed in two steps: ablation and film deposition. Initially, the effect of variation of ablation time on the creation of adequate surface topography was studied. For this, the samples were exposed to the oxygen plasma at a pressure of 13 Pa and power of 150 W, varying the treatment time from 5 to 60 minutes. Then, the treated samples were submitted to the process called PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), in which a film was deposited on the surface from the precursor hexamethyldisiloxane (HMDSO) in the presence of argon, in a ratio of 70 e 30%, respectively. The deposition time was set to 30 minutes and the power applied was 150 W. In a second investigation, the effect of the thickness of the deposited film was studied. In this case, the cellulose samples were previously exposed to the oxygen ablation plasma for 60 minutes and then led to the PECVD process, with the deposition time varying from 5 to 30 minutes. In a third investigation, the duration of the ablation and deposition steps was reduced to 30 and 1 minute, respectively, in order to optimize the methodology. The samples were characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive Spectroscopy (EDS), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), profilometry, static contact angle measurements and hysteresis and sliding angle measurements. The results demonstrated that longer exposure times for the ablation step provide a significant modification in the material, through the creation of nanoscale structures on the surface of the fibers. The deposition step promoted the formation of films with organosilicon character on the cellulose surface, with thicknesses varying between 144 and 910 nm. The combination of the topography created after 30 minutes of ablation with the thin film resulting from the deposition step for 1 minute provided a surface with low receptivity for both polar (? = 150°) and nonpolar (? ~ 120°) liquids, whose wettability property remained stable with treatment aging time. The low values obtained for hysteresis (9°) and sliding angle (7°) confirm the creation of a superhydrophobic roll-off surface. A celulose é um biopolímero disponível em abundância na natureza e que possui propriedades bastante interessantes principalmente para a indústria têxtil, de embalagens e papel. No entanto, devido ao seu caráter fortemente hidrofílico, proveniente da presença de um grande número de grupos hidroxila livres em sua molécula, sua utilização em determinadas áreas se torna limitada. Com o objetivo de promover a modificação da característica de molhabilidade da celulose, de modo a torná-la superhidrofóbica, amostras deste material foram submetidas a processos a plasma realizados em duas etapas: ablação e deposição de filme. Inicialmente, estudou-se o efeito da variação do tempo de ablação na criação da topografia adequada da superfície. Para isto, as amostras foram expostas ao plasma de oxigênio a uma pressão de 13 Pa e 150 W de potência, variando-se o tempo de tratamento de 5 a 60 minutos. Em seguida, as amostras tratadas foram submetidas ao processo denominado PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), no qual foi depositado um filme sobre a superfície das mesmas, a partir do precursor hexametildisiloxano (HMDSO) na presença de argônio, numa proporção de 70 e 30%, respectivamente. O tempo de deposição foi fixado em 30 minutos e a potência aplicada foi de 150 W. Numa segunda investigação, foi estudado o efeito da espessura do filme depositado. Neste caso, as amostras de celulose foram previamente expostas ao plasma de ablação com oxigênio durante 60 minutos e posteriormente ao processo de PECVD, variando-se o tempo de deposição de 5 a 30 minutos. Numa terceira investigação, o tempo de duração das etapas de ablação e deposição foi reduzido para 30 e 1 minuto, respectivamente, com o intuito de otimizar a metodologia. As amostras foram caracterizadas por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS), Espectroscopia de Absorção no Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR), perfilometria, medição de ângulo de contato estático e medição de histerese e ângulo de deslizamento. Os resultados demonstraram que maiores tempos de exposição à etapa de ablação proporcionam uma modificação significativa no material, por meio da criação de estruturas em nanoescala na superfície das fibras. A etapa de deposição promoveu a formação de filmes de caráter organosilicone sobre a superfície da celulose, com espessuras variando entre 144 e 910 nm. A combinação entre a topografia criada após 30 minutos de ablação e o filme de menor espessura resultante da etapa de deposição durante 1 minuto, possibilitaram a obtenção de uma superfície de baixa receptividade tanto a líquidos polares (? =150°) quanto apolares (? ~120°), cuja propriedade de molhabilidade se manteve estável com o tempo de envelhecimento. Os baixos valores de histerese (9°) e ângulo de deslizamento (7°) obtidos confirmam a criação de uma superfície superhidrofóbica do tipo “roll-off”.

Neste trabalho, foi desenvolvido um filme absorvedor solar, de negro de fumo (NF) ou de grafite sobre base polimérica, para coletores de baixa temperatura (até ~ 50°C) com alta absortância no espectro solar (>90%), usando um método simples de produção. Com vistas às condições de trabalho do coletor, a adesão ao substrato foi verificada com água corrente e, embora sua condutividade térmica seja baixa em relação a do cobre – tradicionalmente empregado, a custos bem maiores – isto é, compensável por um aumento na área de contato absorvedor-água, permitida pela facilidade de processamento dos polímeros. Dentre estes, foram utilizados policarbonato (PC) e polimetilmetacrilato (PMMA), de alta transmitância no espectro visível (>80%), pouca degradação pela radiação ultravioleta e temperatura de transição vítrea suficiente para evitar seu sobreaquecimento (Tg > 100oC). Adicionalmente, foi depositado um recobrimento super-hidrofóbico, utilizando nanopartículas de sílica, silano e politetrafluoretileno, atingindo o efeito de superfície auto-limpante (histerese de ~ 2º). Com uma cobertura de poliéster, foi obtida baixa emissividade do conjunto (água/filme absorvedor/placa polimérica/ar/cobertura) no infravermelho (na faixa de 5 a 15 μm) e, por simulação experimental com a combinação selecionada de NF/PMMA, verificado um melhor aproveitamento da radiação solar. Na expectativa de também agregar anti-reflexão e melhor adesão entre o filme super-hidrofóbico e a cobertura, em seguimento a este trabalho, a abordagem aqui apresentada poderá se tornar viável para a produção de coletores autolimpantes de qualidade e com boa relação custo-benefício. In this work, a solar absorber film, of carbon black (NF) or graphite, on a polymeric base, was developed for low temperature collectors (up to ~ 50 ° C) with high absorptance in the solar spectrum (> 90%), using a simple production method. With regard to collector working conditions, the film adhesion to the substrate was verified with running water and, although its thermal conductivity is low compared to that of copper - traditionally employed, at higher costs - this can be compensed by an increase in the water-absorber contact area, which is allowed by the easiness of polymer processing. Among these, polycarbonate (PC) and polymethylmethacrylate (PMMA) were used, with high transmittance in the visible spectrum (> 80%), small degradation by ultraviolet radiation and sufficient glass transition temperature to prevent overheating (Tg>100°C). In addition, a superhydrophobic coating was deposited, using silica nanoparticles, silane and polytetrafluoroethylene, and the self-cleaning surface effect was achieved (hysteresis ~ 2º). With a polyester cover, low emissivity was obtained from the assemble (water / absorber film / polymer plate / air / cover) in the infrared (in the range of 5 to 15 μm), and by experimental simulation with the selected NF / PMMA combination, thus providing a better harvesting of solar radiation. With the perspective of also adding anti-reflection and better adhesion between the superhydrophobic film and the cover, as a follow-up of this work, the approach presented here could become viable to the production of quality self-cleaning collectors and with a good cost-benefit relation.

Revestimentos antirrefletores no vidro tem sido objeto de estudo de grande parcela da comunidade científica e tecnológica para obtenção de alta transmitância óptica em sistemas ópticos e, sobretudo para melhorar a eficiência em muitas aplicações, tais como painéis de células solares, telas de exibição de vídeo, pára-brisas de automóveis, óculos e janelas de edifícios. Mais recentemente, superhidrofobicidade tem apresentado crescente interesse para diversas áreas, tais como roupas repelentes a água, superfícies metálicas e microfluido. Neste trabalho, combinamos superhidrofobicidade e antirreflexão à autolimpeza e transparência. Essas propriedades são obtidas pela combinação em multiescala de topologia de superfície baseada na deposição de nanopartículas de sílica (SNPs), revestimentos de índice gradual e revestimentos interferométricos, utilizando politetrafluoroetileno (PTFE), em três rotas. Na primeira rota com apenas uma camada (vidro/SNPs), as amostras apresentaram um ângulo de contato (WCA) de 161°±2° com alto valor de histerese angular e pouca antireflexão. Na segunda rota com duas camadas (vidro/SNPs/PTFE), as amostras apresentaram um WCA de 169°±2° com baixo valor de histerese angular e com melhor antireflexão. Na terceira rota, composta por três camadas (vidro/SNPs/aerogel/PTFE), as amostras apresentaram um WCA de 158°±2° com baixo valor de histerese angular (

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior In this work we investigate the use of the Potts Cellular Model in simulations of the water droplets on flat hydrophobic and pillarlike surfaces surrounded by gas. Eight tests were chosen to validate the model, based on experimental and theoretical results: (1) the measurement of the contact angle on a flat hydrophobic surface; (2) the transition from Cassie to Wenzel states; (3) the measurement of the contact angle on the pillar-like structured surface in Wenzel and Cassie states; (4) the dependence of the contact angle on the roughness of the surface; (5) the measurement of the contact angle hysteresis; (6) the difference in angle hysteresis between Wenzel and Cassie states (7) the sliding of a droplet on inclined surfaces; and (8) the relationship between angle hysteresis and the velocity of the droplets on inclined surfaces. Our results are agree with the experimental and theoretical results suggesting that the Cellular Potts Model can be used as a tool in the theoretical studies these systems. Neste trabalho investigamos a utilização do Modelo de Potts Celular na simulação de gotas de água sobre superfícies hidrofóbicas lisa e estruturada em pilares que pode apresentar comportamento superhidrofóbico em contato com gás. Oito testes foram escolhidos para validar o modelo, baseados em resultados experimentais e teóricos conhecidos: (1) a medida do ângulo de contato da gota sobre a superfície lisa; (2) a transição do regime Cassie para o regime Wenzel; (3) a medida do ângulo de contato da gota sobre a superfície estruturada; (4) a dependência do ângulo de contato com a rugosidade da superfície; (5) a medida da histerese do ângulo de contato; (6) a diferença na histerese do ângulo nos regimes Cassie e Wenzel; (7) ângulo crítico de deslize sobre superfícies lisas; (8) a relação entre a histerese e velocidade de deslize da gota. Nossos resultados concordam com os resultados experimentais sugerindo que o modelo de Potts Celular pode ser usado como uma ferramenta no estudo teórico destes sistemas.

A self-assembled polytetrafluoroethylene (PTFE) nanostructure is deposited on microcrystalline diamond (MCD) films, by use of physical and chemical vapor deposition in a two-step process, to produce (fully) superhydrophobic surfaces: high water contact angle (static, 165±2 deg ), very low hysteresis (dynamic, ∼4 deg ), and associated sliding angle (1 deg 5 ′ ±15 ′ ), thus combining the diamond infrared transparency and self-cleaning properties. These are interpreted in light of Wenzel and Cassie-Baxter wetting models, associated with structural microscopy of nano-micro rough PTFE/MCD surfaces, and present a promising perspective for self-cleaning infrared optics applications.

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