1. Introdução
Os jatos eletrohidrodinâmicos (EHD) são criados, na sua forma mais simples, através de um pequeno bocal, no qual emerge uma gota de líquido com certas propriedades elétricas, ao qual é aplicada uma alta tensão. Esta tensão é aplicada entre o bocal e um coletor, sendo então possível formar um jato fino devido à ação eletroestática e, eventualmente, também à de origem gravítica. Este fenómeno é comummente referenciado como "cone de Taylor". Os cones de Taylor têm distintos modos de funcionamento, sendo estes estudados consoante as diferentes formas de operação. O modo de funcionamento mais comum é o de jato contínuo, entre o cone e o coletor, contudo, e dependendo das condições, estes jatos podem quebrar-se em pequenas gotas.
Uma das aplicações dos cones de Taylor é na área da impressão de alta resolução, sem contacto direto. Estas formas de impressão, que usam jatos eletrohidrodinâmicos, são conhecidas como e-jet. Também a utilização de polímeros em microfabricação tem vindo a ser investigada neste domínio. O impacto nesta área é especialmente vantajoso, pois o tamanho das gotas formadas pode ser muito mais pequeno que o tamanho do bocal, de tal forma que se o bocal for da mili/microescala as gotas podem chegar à ordem de grandeza da escala nano. E é precisamente a capacidade de obter jatos a tão pequena escala que proporciona a alta resolução na impressão por e-Jet.
1.1. Modos de funcionamento
Os jatos EHD do tipo cone de Taylor são uma manifestação fascinante da interação entre as forças eletrostáticas e as tensões superficiais em fluidos condutores. Este fenómeno tem sido objeto de extensa pesquisa devido às suas potenciais aplicações em áreas como impressão a jato de tinta, produção de nanofibras e a entrega de medicamentos. Os diversos modos de funcionamento dos jatos EHD, sob diferentes condições experimentais, são descritos abaixo, e podem ser observados na Figura 1.
- Dripping:
- Microdripping:
- Jato Estável com Cone de Taylor:
- Spinning:
- Multi-jato:
Uma gota cresce na extremidade do capilar até que a gravidade a faça cair. Este modo é evidente na imagem inferior central. Neste modo, o líquido pendura da agulha ou capilar, formando uma gota pendente que eventualmente se desprende devido à gravidade. A gota cresce até um certo tamanho, após o qual a tensão superficial não consegue mais sustentar a gota, levando-a a cair. A imagem mostra claramente este momento de "quebra" com a legenda "Quebra em Dripping".
Pequenas gotas são periodicamente emitidas do ápice do cone devido aos efeitos significativos das forças eletrostáticas. Aqui a contribuição da força eletrostática é ainda pequena e a formação do cone de Taylor é periódica;
Forma-se um cone na extremidade do capilar de onde é emitido um jato contínuo e estável. Na imagem superior direita observamos um jato contínuo que sai da ponta da agulha. Antes da emissão do jato o líquido forma um "cone de Taylor" na ponta da agulha, um formato cónico característico é formado quando o líquido é submetido a um campo elétrico relativamente forte. O jato é emitido da ponta afiada do cone, e é contínuo e estável.
Este modo não foi possível de visualizar no nosso laboratório, mas sabe-se que a solução é ejetada tangencialmente à superfície do cone através de ondas periódicas. Este modo é usual quando são usadas soluções relativamente viscosas ou polímeros.
Este modo não é claramente visível na imagem obtida na UBI, mas geralmente envolve a emissão de múltiplos jatos finos a partir de uma superfície líquida ou a formação de vários cones de Taylor (como se vê na janela de zoom). Em determinadas condições, a superfície do líquido torna-se tornar instável e leva à formação de múltiplos jatos.
1.3 Impacto Socioeconómico dos jatos electrohidrodinâmicos
A investigação e desenvolvimento de jatos eletrohidrodinâmicos (EHD) baseados em cone de Taylor representa um campo inovador de estudo que possui uma ampla gama de implicações sociais e económicas. Estes sistemas, que aproveitam os princípios da eletrohidrodinâmica para gerar jatos de fluido altamente controlado, têm o potencial de transformar várias indústrias e múltiplos campos de aplicação. Nesta secção exploraremos a importância e o impacto sociocultural, económico e ambiental destes jatos.
Os jatos EHD têm mostrado aplicações promissoras em fabricação avançada, permitindo a produção precisa e escalável de materiais, como fibras, filmes finos e partículas micro/nanométricas. Isso pode revolucionar indústrias como a da eletrónica, têxteis e a de dispositivos médicos, permitindo otimizar o rendimento dos processos de produção e reduz o desperdício de recursos. A impressão eletrohidrodinâmica proporciona uma resolução muito mais elevada do que as técnicas de impressão normais, como a impressão a jato de tinta. Enquanto na forma tradicional a ordem do diâmetro ejetado é da mesma grandeza que o bocal utilizando, nos jatos EHD este é muito inferior. Esta capacidade de resolução atinge diâmetros típicos entre \( \sim 100 \) nm.
