Come le goccioline convergono su una natura scivolosa

Jun 03, 2023

Una superficie che respinga completamente i fluidi, come acqua, sangue o olio, è una ricerca di lunga data nell'ingegneria e nella scienza dei materiali. Un materiale di questo tipo si presta a un’ampia gamma di applicazioni, dalla raccolta dell’acqua alla lavorazione degli alimenti fino alle tecnologie biomediche. Anche se i ricercatori hanno fatto progressi nello sviluppo di materiali con queste capacità, non è ancora chiaro come si comportino esattamente i fluidi su tali superfici. In un recente articolo su Nature Communications, i ricercatori descrivono per la prima volta come le gocce d’acqua si uniscono sulla superficie di una superficie impregnata di olio.

Più di dieci anni fa, gruppi di ricerca negli Stati Uniti e in Francia hanno proposto in modo indipendente un nuovo approccio per ideare una superficie che respinga i fluidi, ispirato a un meccanismo presente in natura. La loro idea era quella di aggiungere strutture microscopiche alla superficie di un substrato e rivestire il tutto con olio. La struttura porosa mantiene l'olio in posizione con forze capillari e goccioline d'acqua o altri fluidi potrebbero scivolare via dalla superficie priva di difetti senza attaccarsi. "Si dice che questi abbiano molte proprietà molto promettenti", afferma Haobo Xu, ora studente laureato in scienza dei materiali alla Cornell University e primo autore dello studio. Ma allo stesso tempo, dice, la fisica del comportamento delle goccioline su queste superfici scivolose non è stata studiata a fondo. Il recente articolo, condotto da ricercatori dell’Università del Michigan ad Ann Arbor e dell’Ohio State University di Columbus, spiega come convergono esattamente le gocce. Hanno scoperto che quando le goccioline si formano vicine, ma non si toccano del tutto, formano una cresta bagnante, fatta di olio, nel mezzo. Quella cresta facilita l'attrazione tra le goccioline, attirandole insieme per fondersi.

"Il nostro lavoro mostra come due goccioline si fondono", afferma Yimin Zhou, uno studente laureato presso l'Energy Transport Laboratory (ETL) del Michigan, guidato dall'ingegnere meccanico Solomon Adera. In particolare, dice, il gruppo ha scoperto che le gocce si combinano più velocemente sulla superficie ingegnerizzata rivestita di olio rispetto ad altri materiali idrofobici. "La superficie lubrificata può aumentare il tasso di condensazione", aggiunge Zhou.

Questa proprietà, dice, rende il materiale un candidato interessante per applicazioni che coinvolgono la condensa o la raccolta dell'acqua. In una centrale elettrica a vapore, ad esempio, l’acqua bollente produce vapore e il vapore fa girare una turbina che genera elettricità. Il vapore viene raccolto, condensato e riportato allo stato liquido. Se il nuovo materiale venisse utilizzato nel condensatore, spiega, l’impianto potrebbe raccogliere più rapidamente l’acqua usata, rendendo forse il sistema più efficiente. Il materiale potrebbe anche essere utilizzato in dispositivi che raccolgono l’acqua dall’aria, “specialmente nelle aree aride senza molta acqua potabile”, afferma Zhou. I materiali a base di olio sarebbero utili anche nella lavorazione e conservazione degli alimenti, perché impediscono al materiale, compresi i germi, di attaccarsi alle pareti di un contenitore.

Le prime superfici impregnate di olio sono apparse in un articolo del 2005 del fisico francese David Quéré. Nel 2011, un gruppo con sede presso il Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering dell'Università di Harvard ha sviluppato un materiale ispirato al modo in cui le piante carnivore catturano le loro prede. La pianta secerne una sostanza viscida che ricopre la trappola e lo sfortunato insetto scivola nei succhi digestivi ai piedi della brocca. Hanno chiamato il loro design SLIPS, per superfici porose scivolose a base di liquido. L'altro gruppo ha descritto il loro progetto, che utilizzava in modo simile minuscole cavità sulla superficie per intrappolare il petrolio. In entrambi i casi, le goccioline scivolano via senza sforzo, senza impigliarsi.

Patricia Weisensee, ingegnere meccanico presso la Washington University di St. Louis, guida un gruppo di ricerca sui fluidi termici che ha studiato i materiali. Il suo gruppo e altri hanno dimostrato come le goccioline possano scivolare su una superficie infusa di petrolio. "Durante la condensazione, anche le goccioline microscopiche si attraggono e creano un movimento molto forte sulla superficie", spiega.

I ricercatori del Michigan volevano saperne di più sul processo, quindi hanno creato il loro materiale fabbricando prima una serie di minuscoli pilastri di silicio, ciascuno largo meno di 10 micrometri e alto meno di 30 micrometri, su un substrato. Hanno rivestito la superficie con un sottile strato di olio siliconico. Quindi, hanno posizionato due goccioline, ciascuna di circa un millimetro di diametro, a circa 2,8 millimetri di distanza, e hanno iniziato a filmare. I ricercatori hanno osservato che l’olio formava una cresta bagnante attorno a ciascuna gocciolina nel punto di contatto e che tra le due goccioline la cresta bagnante saliva più in alto.