Superfícies peludas por estiramento a frio levando a gramados densos de cabelos de alta proporção

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 9952 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

As superfícies de muitos organismos são cobertas por pelos, que são essenciais para sua sobrevivência em um ambiente complexo. A geração de superfícies peludas artificiais a partir de materiais poliméricos provou ser desafiadora, pois requer a geração de estruturas com proporções de aspecto (AR) muito altas. Relatamos uma técnica para a fabricação de superfícies cobertas com camadas densas de pêlos de polímero em nanoescala de AR muito alto. Para isso, moldes com poros com diâmetros de várias centenas de nanômetros são preenchidos com um polímero fundido por ação capilar. O polímero é então deixado esfriar e o molde é removido mecanicamente. Dependendo das condições empregadas, as estruturas formadas podem ser uma simples réplica do poro, ou o polímero é fortemente deformado por estiramento a frio para ceder em cabelos longos, com densidades de cabelo significativamente até 6,6 × 108 cabelos/cm2 em AR muito superior a 200. O mecanismo de formação do cabelo é atribuído a um delicado equilíbrio entre as forças de adesão do polímero no poro e a força de escoamento que atua sobre ele durante a desmoldagem mecânica. Demonstramos como, com muito pouco esforço e dentro de uma escala de tempo de segundos, topografias únicas podem ser obtidas, o que pode adaptar drasticamente as propriedades de umectação de polímeros comuns.

As superfícies de muitos animais (ou em alguns casos também plantas) são pelo menos parcialmente cobertas por densas camadas de pelos1,2. Os cabelos podem servir a muitos propósitos: eles podem proteger contra o impacto da radiação UV ou infravermelha3, ou podem proteger contra o contato direto do corpo com a água durante a exposição à chuva4,5 ou durante a natação6,7. Os cabelos também podem ter uma função de termorregulação para estabilizar a temperatura corporal2. Para isso, atuam como uma camada isolante6, o que reduz a absorção ou perda de calor, pois retêm quantidades significativas de ar. Alternativamente, absorvendo e distribuindo o suor sobre uma área de superfície maior, os cabelos podem aumentar a taxa de evaporação da água e, assim, resfriar o corpo que estão cobrindo. Em alguns casos, eles também desempenham um papel nas interações sociais, contribuindo para a distribuição de odores, como feromônios1.

Os pêlos biológicos são essencialmente materiais à base de queratina de alta proporção de aspecto1, firmemente ancorados à superfície da pele que cobrem. Eles formam um "gramado" denso no qual a distância entre os fios é significativamente menor que o comprimento de um fio de cabelo individual8. Uma relação de aspecto, AR > 100 é característica de superfícies de plantas pilosas naturais, como por exemplo as folhas do manto da senhora9,10. Para proporções de aspecto de cabelo humano ainda maiores que 1000 podem ser observadas.

No campo tecnológico, estruturas de alto AR podem ser gravadas em materiais bastante rígidos, principalmente silício, por meio de litografia de foto, raios-x ou feixe de elétrons seguida de processos de corrosão altamente específicos8,11,12. Um exemplo de sistema onde estruturas AR muito altas foram geradas para uma aplicação interessante é o trabalho de Chang e Sakdinawat13. Eles empregam litografia por feixe de elétrons e uma técnica de gravação química assistida por metal para a fabricação de AR ultra-alto (> 120), nanocaracterísticas de alta resolução, que podem ser usadas para gerar uma ótica de imagem para raios-X duros. No entanto, em contraste com o grande número de publicações sobre superfícies de silício micro e nanoestruturadas de alto AR, muito menos foi relatado quando materiais poliméricos são considerados14,15. Os principais métodos para a geração de micro e nanoestruturas poliméricas são a fotolitografia e a microrreplicação, a última abordagem é especialmente preferida quando a fabricação de áreas estruturadas em grande escala é desejada12,16.

Nano ou micropêlos de polímero podem ser gerados usando técnicas de moldagem de réplicas nas quais modelos porosos são empregados10,17,18. Vários exemplos, de fato, fizeram uso de mestres de superfície natural, como folhas cabeludas10,19 ou insetos reais17 para a obtenção de moldes negativos, que por sua vez levaram a morfologias idênticas de réplicas de polímeros. A reprodução de superfícies naturais peludas com AR muito alto (> 100) permanece, no entanto, um desafio, uma vez que a desmoldagem de tais estruturas AR altas do modelo é bastante difícil. Recentemente, usando um modelo dental bovino natural, Tiller e colegas de trabalho geraram com sucesso filamentos de resina de acrilato ultralongos possuindo um AR de até 2009. A polimerização assistida por modelo resultou em superfícies que imitam a topografia de uma folha de Corokia cotoneaster. No entanto, como os modelos naturais são tipicamente pequenos em tamanho e são dissolvidos ou corroídos em tais abordagens, o tamanho da amostra, obtido por meio de tais vias, é intrinsecamente limitado e os substratos de grande escala não podem ser modificados.