Já ouviram falar em janelas autolimpantes?

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Imaginem os grandes edifícios espalhando por todo o mundo … uma das marcas de nossa civilização atual. Esses prédios ostentam poder e beleza. Uns com seus modelos exóticos que tendem a desafiar a gravidade, outros mais tradicionais. Alguns parecem praticamente todo revestido de vidro. Diga-se de passagem, revestidos com vidro “inteligente”, com janelas fotocromáticas que se adaptam à luminosidade externa, clareando ou escurecendo o ambiente interno. Mas por falar em janelas, já pararam para pensar como essas janelas são limpas? Bom … com certeza todos nós já vimos, se não pessoalmente, ao menos em filmes, seriados, etc, àqueles corajosos limpadores de janelas. Esses homens são verdadeiros alpinistas urbanos. Em sua instável plataforma, presa por cabos de aço, ou pendurados diretamente a esses cabos, eles ficam a dezenas de metros do chão, expostos a ação do vento. E como se isso não liberasse adrenalina suficiente, ao menos na TV, sempre tem um vilão, ou um herói fazendo arruaça na cidade justamente quando eles estão limpando. Com certeza se requer muita coragem para desempenhar essa profissão! Ao menos se eles tivessem as habilidades do Peter Parker, as coisas seriam mais fáceis. Mas, mesmo sendo profissionais tão corajosos, corre o risco da tecnologia reduzir seu mercado de trabalho … falo isso porque já existe há algum tempo no mercado algumas janelas que se intitulam autolimpantes. Janelas autolimpantes? Como assim? Limpam-se sozinhas? Bom … continuem lendo esse post e vejam mais um exemplo de como a química está presente no desenvolvimento tecnológico.

Um exemplo de janelas autolimpantes é comercializada pela empresa Pilkinton, que comercializa “vidros inteligentes”. Em 2001 eles lançaram o Pilkigton ActivTM, que é justamente um vidro especial com a capacidade de limpar a si mesmo. A mágica por trás desse vidro reside em um fino revestimento de dióxido de titânio (TiO2) impregnado na superfície do vidro. Quando eu falo fino revestimento, é fino mesmo! A espessura do filme é de cerca de 15nm (um milímetro é quase um milhão de vezes mais espesso que esse filme). Mas como um filme, quase invisível, é capaz de tirar o emprego dos “alpinistas urbanos”? A resposta está na mais pura e simples química (e física) …

O TiO2 tem a capacidade de absorver radiação ultravioleta. Essa radiação provoca um série de excitações eletrônicas na superfície do filme, promovendo os elétrons do material para um nível de maior energia. É como se alguns elétrons do material estivessem a ponto de sair dele, bastando apenas um “empurrãozinho” para que deixem o TiO2. E esse “empurrãozinho”, que na verdade seria um “puxãozinho”, é provocado pelas moléculas de oxigênio do ar. Como assim? Bom … a janela está exposta à atmosfera, e o oxigênio do ar tem afinidade pelo vidro, fazendo com que um pouco de oxigênio fique adsorvido à superfície. E agora podemos entender o processo – o vidro fica exposto à radiação ultravioleta do sol, que excitam os elétrons, e estes por sua vez são retirados do filme pelas moléculas de oxigênio do ar. Essa reação é representada abaixo:

O2 + e- → O2-

O ânion formado nessa reação é o ânion superóxido, e ele é fundamental para o processo autolimpante, mas falaremos dele mais a frente. Bom … agora que o filme de dióxido de titânio perdeu elétrons para o oxigênio do ar, ele ficou oxidado, ou seja, está deficiente de elétrons. O filme, de alguma forma precisa repor a quantidade de elétrons perdida. Essa reposição é realizada pelas moléculas de água presentes na atmosfera. Assim como temos moléculas de oxigênio adsorvidas à superfície do vidro, também temos algumas moléculas de água. Diferentemente da molécula de oxigênio que recebe elétrons do filme de dióxido de titânio (se reduz, e por isso oxida o filme), a moléculas de água vão doar elétrons para o filme (se oxidando, e reduzindo o filme), regenerando assim o filme de TiO2. A reação de oxidação da água é mostrada abaixo:

H2O → .OH + H+ + e-

Vejam que na reação foi formada a espécie .OH, esse composto na verdade é o radical hidroxila (não o confunda com o ânion hidroxila, OH-!), e ele, juntamente com o ânion superóxido serão os agentes responsáveis pela limpeza do vidro.

Tanto o radical hidroxil, quanto os ânion superóxido são agentes oxidantes muito fortes. Isso significa que eles vão retirar elétrons de praticamente qualquer coisa que entrar e contato com eles. A matéria orgânica que se depositar na superfície da janela, na forma de sujeira, gordura, e coisas do gênero serão rapidamente oxidadas em água e gás carbônico. Temos com isso janelas limpas de matéria orgânica simplesmente pela ação da própria superfície do vidro, que usou apenas oxigênio e água da atmosfera. Mas essa é apenas metade da ação de limpeza do Pilkigton Activ. Por mais que a superfície tenha a matéria orgânica deteriorada, com certeza teremos um pouco de sujeira ainda aderida à superfície da janela. Nesse ponto entra outro elemento natural para realizar a limpeza – a água da chuva.

autolimpantesO vidro, naturalmente é uma superfície hidrófoba, ou seja, não interage muito bem com a água. Verificamos isso quando gotejamos um pouco de água no vidro. As pequenas gotas de água não se espalham, ficam aglutinadas no formato de bolhas (lembram-se das aulas de fenômenos de superfície?). Isso faz com que a sujeira fique concentrada, gerando aquelas terríveis manchas no vidro (que só aparecem depois que achamos que limpamos o todo o vidro). Para a água limpar eficientemente o vidro, ela deveria se espalhar por toda a superfície, ou seja, ter uma interação melhor com o vidro. A diferença entre os efeitos é mostrado na figura à esquerda, onde compara-se como fica o estado de uma janela após uma chuva, com e sem o filme de TiO2. De fato, a diferença é surpreendente! Míseros 15nm do filme de dióxido de titânio conseguem fazer isso? A água pode não interagir bem com o vidro, mas interage muito bem com o filme de TiO2. Na superfície do filme, os átomos de oxigênio do TiO2, estão na forma de hidroxilas – grupos OH, e estes interagem fortemente com a água através de ligações de hidrogênio. E isso é suficiente para que a água da chuva se espalhe por toda a superfície do vidro e seja capaz de limpar o resto de sujeira que ainda ficou aderida ao vidro após o processo de oxidação.

nano gramadoVale ressaltar que esse não é o único processo para a construção de janelas (ou vidros em geral) com características autolimpantes, mas é um dos processos com a explicação mais detalhada. Um pouco mais recentemente, em 2009, pesquisadores da Universidade de Tel Aviv (Israel) sintetizaram um outro revestimento para vidros que também permitem sua atividade autolimpante. Esse trabalho foi publicado na prestigiada Nature Nanotechnology. Neste caso, o recobrimento foi formado por um filme fino de nanotubos de peptídeos (fragmentos de proteínas). Esse nanotubos foram auto-organizados de fabricação (que envolvia alta temperatura e vácuo), e a microscopia deles indicam que uma vez aderido ao vidro formam uma espécie de nanogramado (figura ao lado). Esse “gramado” pode repelir as partículas de poeira. O mais interessante é que, ao invés desse revestimento fazer com que a água tenha aderência ao vidro, e com isso se espalhe e limpe a sujeira,  ele se preocupa em repelir ao máximo as moléculas de água, impedindo que estas se concentrem e acumulem sujeira (um mecanismo exatamente oposto do que ocorre com o filme de dióxido de titânio). Infelizmente não temos, diferentemente do exemplo anterior, o detalhamento das reações química envolvidas neste caso.

E ai gostaram do post? Viram um pouco para que serve a aula de fenômenos de superfície, ligações intermoleculares, excitação eletrônica, etc? Este é um exemplo de que quando o conhecimento é posto em prática de maneira adequada, além de ajudar a sociedade, é possível que renda uma considerável quantidade de dinheiro! Então … porque não passar a olhar essas aulas com outros olhos? Caso tenham gostado, por favor compartilhem o post e deixem seus comentários. Até a próxima.

Referências principais

A. Burrows, et al, Química, Volume 1. LTC.

http://arquitetogeek.com/2009/10/28/60/, em 15/04/14