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Aug 29, 2023

Scientific Reports volume 6, Artigo número: 24653 (2016) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A redução do arrasto tornou-se um problema sério nos últimos anos em termos de conservação de energia e proteção ambiental. Entre as diversas abordagens para redução de arrasto, as superfícies superhidrofóbicas têm sido pesquisadas principalmente devido à sua alta eficiência na redução de arrasto. No entanto, devido à vida útil limitada do plastrão (ou seja, bolsas de ar) em superfícies superhidrofóbicas debaixo d'água, a instabilidade das superfícies úmidas tem sido um obstáculo para aplicações práticas. Este trabalho apresenta um avanço na melhoria da estabilidade subaquática de superfícies superhidrofóbicas, otimizando estruturas superficiais em nanoescala usando estruturas interligadas SiC/Si. Estas estruturas têm uma estabilidade inigualável de superhidrofobicidade subaquática e melhoram as capacidades de redução de arrasto, com uma vida útil do plastrão superior a 18 dias e uma taxa de redução de velocidade máxima de 56%. Além disso, através da divisão fotoeletroquímica da água em uma superfície hierárquica de nanoestrutura de SiC / Si, o problema de vida útil limitada das bolsas de ar foi superado pelo reabastecimento da camada de gás que escapava, o que também proporciona efeitos contínuos de redução de arrasto.

Superfícies umedecidas têm atraído muita atenção devido à sua ampla gama de aplicações potenciais, como superfícies antiincrustantes1,2,3,4,5,6,7, dispositivos impermeáveis8,9,10, microcanais11,12, anti- formação de gelo13,14,15,16,17, separação óleo/água18,19,20, redução de arrasto21,22,23 e outros campos relacionados não umectantes24,25,26,27,28,29,30,31,32. Entre os campos de aplicação de superfícies úmidas, a redução do arrasto é uma das questões mais significativas para a conservação de energia e proteção ambiental, que se tornaram preocupações globais nas últimas décadas. Especialmente nas áreas de embarcações marítimas e canais de fluidos, a redução do arrasto pode reduzir tremendamente o consumo de energia e recursos33,34. Várias estruturas e morfologias de superfície foram pesquisadas para induzir efeitos de redução de arrasto, incluindo revestimentos compatíveis35,36, revestimentos poliméricos37,38,39, surfactantes40,41,42, microbolhas43,44 e revestimentos superhidrofóbicos23,45. Entre as várias estratégias para redução de arrasto, as superfícies superhidrofóbicas, que são superfícies úmidas que imitam folhas de lótus, têm mostrado eficiência dominante na redução de arrasto. No entanto, a instável superhidrofobicidade subaquática tem impedido seu uso em aplicações práticas .

Em superfícies superhidrofóbicas, sabe-se que a presença de uma camada intermediária de ar (ou gás) na superfície submersa causa o comportamento não umectante e, assim, a estabilidade da superhidrofobicidade subaquática é determinada pela vida útil da camada intermediária de ar . No entanto, a camada intermediária de ar (plastrão) é altamente instável, com vida útil limitada devido à difusão dos gases do ar na água50. De acordo com pesquisas anteriores, as taxas de difusão do gás são determinadas principalmente pelas características da superfície (morfologia superficial e energia superficial) e pela pressão hidrostática . Foi relatado que várias estruturas de superfície, como estruturas mesoporosas, arranjos de nanofios e estruturas micro/nano hierárquicas, aumentam a vida útil da camada intermediária de ar . No entanto, apesar desses diversos estudos, eles não conseguiram superar a impermanência do interlayer de ar.

Neste estudo, desenvolvemos novas estruturas hierárquicas interligadas de SiC / Si usando um método de síntese baseado em redução carbotérmica . Em comparação com estruturas relatadas anteriormente, nossa superfície melhorou drasticamente a vida útil da camada intermediária de ar e mostrou a maior estabilidade de superhidrofobicidade subaquática devido à sua estrutura de rede única . De acordo com nossas medições de redução de arrasto, nossa superfície hierárquica superhidrofóbica de SiC / Si apresentou efeito de redução de arrasto de 56% em comparação com uma superfície plana de Si. Por outro lado, a superfície superhidrofílica de SiC/Si exibiu uma propriedade de aumento de arrasto.