Você já reparou que quando você abre um pote de iogurte, às vezes o iogurte gruda na tampa e às vezes não? Por que isso acontece?
Acontece que a resposta está no nível de repelência à água na tampa. O iogurte gruda em uma tampa com menor repelência à água, mas não gruda em uma com maior repelência à água.
Esquerda: o iogurte não gruda (alta repelência à água). Direita: o iogurte gruda (baixa repelência à água).
A repelência à água é apenas uma das muitas propriedades adicionadas para tratar a superfície das películas utilizadas em embalagens de alimentos para desempenhar funções específicas. Várias funções são necessárias para a embalagem de alimentos, tais como:
- Manter a frescura e a qualidade dos alimentos
- Facilitar o manuseio do consumidor, como o abrir da embalagem
- Criar uma superfície resistente a contaminantes
A demanda por determinadas funções nas embalagens de alimentos, como a redução da perda de alimentos reduzindo a adesão, está aumentando. A tecnologia de embalagens está evoluindo de acordo. A qualidade desses tratamentos adicionados à superfície de películas deve ser verificada, uma inspeção medida através da rugosidade da superfície.
A inspeção da rugosidade da superfície, geralmente feita com um microscópio confocal a laser 3D, mede a rugosidade de pequenas irregularidades na superfície de películas e a quantifica numericamente. Em meu experimento mais recente, usei um microscópio confocal a laser 3D LEXT™ OLS5100 para investigar a relação entre a repelência à água e a rugosidade da superfície usando duas tampas de iogurte diferentes.
Continue lendo para ver os resultados!
Verificando a condição visual da superfície nas tampas de iogurte
Primeiro, observei a condição da superfície visual na parte de trás das tampas de iogurte em 3D usando o microscópio confocal a laser OLS5100.
As tampas são compostas por várias camadas de películas, incluindo uma camada de alumínio com fortes propriedades refletivas. Para capturar corretamente o formato da superfície externa da película, é importante obter dados que não sejam afetados pela forte reflexão da camada inferior de alumínio. O uso de uma lente objetiva de alta ampliação com uma profundidade de foco rasa reduz o efeito de forte reflexão da camada inferior e permite que os dados sejam adquiridos apenas na superfície mais externa do filme.
O microscópio OLS5100 é adaptado a um comprimento de onda de laser de 405 nm e usa uma lente objetiva LEXT dedicada que suprime as aberrações. Com esta configuração, dados precisos podem ser adquiridos em todo o campo de visão.
Objetivas LEXT dedicadas da esquerda para a direita: objetivas de baixa ampliação de 10X, objetivas de alto desempenho de 20X, 50X e 100X e objetivas de distância de trabalho longa de 20X, 50X e 100X.
A aquisição de dados 3D torna visualmente claro que a tampa de iogurte altamente repelente à água tem agregados esféricos convexos de vários tamanhos espalhados aleatoriamente na superfície da base. Em contraste, a tampa com baixa repelência à água não tem forma convexa conspícua.
Dados 3D visuais das duas tampas de iogurte obtidos com o microscópio confocal a laser OLS5100. Esquerda: tampa de iogurte com alta repelência à água (objetiva 50X, cerca de 250 µm). Direita: tampa de iogurte com baixa repelência à água (objetiva 50X, cerca de 250 µm).
Para entender a condição da superfície de uma amostra com alta repelência à água, considere as superfícies de folhas de lótus e brócolis. Você pode ter visto essas superfícies repelirem água e as gotículas de água escorrerem. Essas superfícies têm um formato irregular e fino chamado estrutura fractal. Graças a este formato, a água pode ser repelida. Uma estrutura fractal é um formato onde formatos semelhantes podem ser vistos em diferentes escalas.
Repelência à água de uma folha de lótus (esquerda) e brócolis (direita)
Inspirada nesses formatos naturais, essa estrutura fractal também é aplicada em tampas de iogurte altamente repelentes à água. No exemplo acima, os dados de um campo de visão (cerca de 250 µm) são mostrados usando uma lente objetiva de 50X.
Adquirindo dados de rugosidade da superfície em um campo de visão mais amplo
Em seguida, adquiri os dados de uma área mais ampla para ver que tipo de distribuição esse formato convexo característico tem na parte de trás da tampa do iogurte altamente repelente à água.
Uma lente objetiva de alta ampliação é eficaz para adquirir dados apenas na superfície mais externa da parte de trás da tampa. No entanto, o alcance de um campo de visão é muito estreito para capturar todos os dados.
A função de união de imagens no microscópio OLS5100 permite conectar imagens individuais capturadas usando uma lente objetiva de alta ampliação para criar uma imagem de alta resolução em um campo de visão mais amplo.
Esquerda: imagens 2D individuais antes da união de imagens. Direita: imagem 2D após a união de imagens.
Abaixo você pode ver que a aparência dos agregados convexos espalhados aleatoriamente em um campo de visão (direita) tem uma distribuição semelhante mesmo quando o campo de visão é ampliado (esquerda). Os agregados convexos têm uma estrutura fractal.
Esquerda: 3 × 3 imagens unidas (objetiva de 50X, cerca de 700 µm). Direita: um campo de visão (objetiva de 50X, cerca de 250 µm).
Quantificando a condição da superfície das tampas de iogurte
As imagens acima mostram visualmente que:
- Os estados da superfície de películas altamente repelentes à água e películas pouco repelentes à água diferem muito
- Agregados convexos existem em películas altamente repelentes de água
- Os agregados convexos têm uma estrutura fractal onde agregados convexos semelhantes são espalhados mesmo quando as imagens são unidas e observadas em um amplo campo de visão
Com base nesses resultados, quantifiquei a condição da superfície dessas duas tampas medindo a rugosidade da superfície no microscópio confocal a laser OLS5100 3D.
Geralmente, um testador de rugosidade de superfície tipo stylus que adquire dados de uma linha é frequentemente usado para avaliação de rugosidade. No entanto, para formatos com irregularidades espalhadas localmente, como em superfícies altamente repelentes à água, o valor da rugosidade varia muito dependendo da linha traçada pelo stylus. Além disso, o contato com o stylus pode danificar a amostra, o que representa um risco durante a medição.
Em contraste, um microscópio confocal a laser 3D pode obter dados de superfície sem contato. Ele faz isso escaneando o feixe de laser. Este processo permite obter mais informações sobre o formato da superfície do que os dados de uma linha do stylus.
Esquerda: o stylus pode danificar a superfície da amostra. Direita: a medição sem contato usando um microscópio confocal a laser 3D não danifica a amostra.
Esquerda: os dados de um testador de rugosidade de superfície tipo stylus fornecem informações de apenas uma linha. Direita: o microscópio confocal a laser 3D OLS5100 adquire informações de um plano inteiro.
Os dados adquiridos do amplo campo de visão (cerca de 700 µm) foram usados para a medição da rugosidade da superfície.
Para obter dados adequados à rugosidade da superfície, é importante avaliar com um campo de visão que contenha pelo menos 10 componentes de formato irregular característico que podem afetar mais a função da superfície da amostra.
Vamos considerar o que isso significa para a amostra altamente repelente à água acima. Presumindo que cada agregado convexo visto em um campo de visão (objetivo de 50X, cerca de 250 µm) é um componente do formato característico que fornece uma função repelente à água, precisamos de pelo menos 10 agregados convexos capturados em um campo de visão mais amplo. Para coletar mais de 10 agregados convexos, usei dados de campo amplo com imagens unidas 3 × 3 para avaliar a rugosidade da superfície.
Resultados de medição da rugosidade da superfície das duas tampas de iogurte
Usando a lente objetiva de 50X, o microscópio a laser 3D obteve os seguintes resultados para a superfície traseira das duas tampas:
| Amostra | Sp [µm] | Sv [µm] | Sz [µm] | Sa [µm] | Sdq | Sdr [%] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Alta repelência à água _50×z1_3×3 | 28,419 | 9,597 | 38,016 | 4,297 | 2,082 | 31,562 |
| Baixa repelência à água_50×z1_3×3 | 2,044 | 7,434 | 9,478 | 0,471 | 0,127 | 0,561 |
Os parâmetros a serem observados são Sp, Sz, Sa, Sdq e Sdr. Aqui temos uma visão geral desses parâmetros:
Sz (altura máxima) e Sp (altura máxima da montanha)
Se observar o valor de Sz, você poderá ver o tamanho da irregularidade da superfície média. Sz é a soma da altura máxima da montanha (Sp) e da profundidade máxima do vale (Sv). O que prestamos atenção aqui é que a diferença entre Sp e Sv é grande apenas em Sp. Neste exemplo, esses dados mostram que a tampa altamente repelente à água tem muitos formatos convexos da superfície média.
Sa (altura média aritmética)
A Sa mostra o valor médio da diferença de altura da superfície média. A tampa altamente repelente à água com um grande valor de Sa apresenta maior irregularidade.
Sdq (raiz quadrada média do gradiente)
A Sdq mostra o tamanho médio do gradiente local das irregularidades da superfície. A tampa altamente repelente à água com um grande valor de Sdq tem maior irregularidade, o que reduz o brilho da superfície.
Sdr (proporção da área de interface expandida)
A Sdr mostra a taxa de aumento na área da superfície. Quanto maior a repelência à água, maiores as ondulações e maior a área de superfície.
Entendendo a repelência à água das tampas usando dados de rugosidade da superfície
Formar a superfície da tampa repelente à água em uma estrutura fractal reduz a área de contato entre o iogurte e a tampa. Esse formato de superfície faz com que o iogurte forme gotículas que não grudam na película. A redução na área de contato significa que a área da película é grande e irregular. Em contraste, a tampa com baixa repelência à água tem uma área de superfície pequenas e uniforme que cria uma grande área de contato. Podemos concluir que o iogurte gruda nessa tampa porque a adesão aumenta à medida que a área de contato aumenta.
Aqui temos a relação do nível de repelência à água com os dados de rugosidade da superfície:
 |  |
| Tampa de iogurte com alta repelência à água | Tampa de iogurte com baixa repelência à água |
| Área de contato com o iogurte: | Pequena | Grande |
| Irregularidade (Sp/Sz/Sa): | Grande | Pequena |
| Inclinação local da irregularidade (Sdq): | Grande | Pequena |
| Área da superfície (Sdr): | Grande | Pequena |
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