A volte l’acqua si diffonde in modo uniforme quando colpisce una superficie; a volte si perline in piccole goccioline. Mentre le persone hanno notato queste differenze fin dai tempi antichi, una migliore comprensione di queste proprietà, e nuovi modi di controllarli, può portare importanti nuove applicazioni.
I materiali con una speciale affinità per l’acqua — quelli che si diffonde attraverso, massimizzando il contatto — sono noti come idrofili., Quelli che respingono naturalmente l’acqua, causando la formazione di goccioline, sono noti come idrofobici. Entrambe le classi di materiali possono avere un impatto significativo sulle prestazioni di centrali elettriche, elettronica, ali di aerei e impianti di desalinizzazione, tra le altre tecnologie, dice Kripa Varanasi, professore associato di ingegneria meccanica al MIT. Miglioramenti nelle superfici idrofile e idrofobiche potrebbero fornire bottiglie di ketchup in cui il condimento scivola appena fuori, bicchieri che non si appannano mai o centrali elettriche che strizzano più elettricità da una data quantità di carburante.,

Foto per gentile concessione di Rong Xiao e Nenad Miljkovic

I materiali idrofili e idrofobi sono definiti dalla geometria dell’acqua su una superficie piana, in particolare l’angolo tra il bordo di una goccia e la superficie sottostante. Questo è chiamato l’angolo di contatto.
Se la goccia si diffonde, bagnando una vasta area della superficie, l’angolo di contatto è inferiore a 90 gradi e quella superficie è considerata idrofila, o amante dell’acqua (dalle parole greche per acqua, idro e amore, philos)., Ma se la goccia forma una sfera che tocca a malapena la superficie — come gocce d’acqua su una piastra calda-l’angolo di contatto è superiore a 90 gradi e la superficie è idrofobica o temuta dall’acqua.
Ma la terminologia non si ferma qui: la maggior parte delle ricerche attuali sui materiali idrofobici e idrofili si concentra su casi estremi — vale a dire, materiali superidrofobici e superidrofili. Sebbene le definizioni di questi termini siano meno precise, le superfici in cui le goccioline strette formano un angolo di contatto superiore a 160 gradi sono considerate superidrofobiche., Se le goccioline sono distribuite quasi piatte, con un angolo di contatto inferiore a circa 20 gradi, la superficie è superidrofila.
” In molti casi, è il comportamento estremo che è utile in ingegneria”, dice Evelyn Wang, professore associato di ingegneria meccanica al MIT specializzato in materiali superidrofobici. Ad esempio, le superfici dei condensatori negli impianti di desalinizzazione o nelle centrali elettriche funzionano meglio quando sono superidrofobiche, quindi le goccioline scivolano costantemente e possono essere sostituite da nuove., Al contrario, per le applicazioni in cui l’acqua scorre su una superficie per evitare il surriscaldamento, è auspicabile avere un materiale superidrofilo, per assicurare il massimo contatto tra l’acqua e la superficie.

Perché questi fenomeni accadono? È essenzialmente una questione di chimica di superficie, che è determinata dalle caratteristiche dei materiali utilizzati. La forma di una superficie può anche amplificare gli effetti: ad esempio, se un materiale è idrofobo, creando nanomodelli sulla sua superficie può aumentare l’area di contatto con una goccia, amplificando l’effetto e rendendo la superficie superidrofobica., Allo stesso modo, la nanomodulazione di una superficie idrofila può renderla superidrofila. (Ci sono eccezioni, tuttavia, in cui tipi speciali di patterning possono effettivamente invertire le proprietà ordinarie di un materiale.)
Diventa più complicato quando le cose si muovono — come spesso accade nelle situazioni del mondo reale. Ad esempio, quando una superficie piana è inclinata, qualsiasi gocciolina su di essa può iniziare a scivolare, distorcendo le loro forme., Quindi, al di là delle misurazioni degli angoli di contatto statici, una comprensione completa delle proprietà di una superficie richiede anche l’analisi di come gli angoli di contatto ai suoi bordi che avanzano (davanti) e si allontanano (dietro) differiscono quando la superficie è inclinata.
Poiché il mondo naturale è pieno di superfici idrofobiche e idrofile, le basi del fenomeno sono state conosciute dagli scienziati per almeno due secoli. Ad esempio, la foglia di loto è un noto esempio di un materiale idrofobo, che protegge la pianta acquatica dal diventare impregnata d’acqua., Alcune specie, come il coleottero stenocara del deserto africano del Namib, combinano entrambi i tratti: la schiena e le ali dell’insetto hanno protuberanze idrofile che incoraggiano la condensazione dalla nebbia; queste sono circondate da depressioni idrofobiche, che raccolgono le goccioline risultanti e le incanalano verso la bocca del coleottero, permettendogli di sopravvivere in uno dei luoghi più aridi della Terra.
Un settore di interesse moderno per le superfici idrofobiche e idrofile ha a che fare con l’efficienza energetica., Le superfici superidrofobiche in fase di sviluppo da parte di ricercatori del MIT e altrove potrebbero portare a un migliore trasferimento di calore nei condensatori delle centrali elettriche, aumentando la loro efficienza complessiva. Tali superfici potrebbero anche aumentare l’efficienza degli impianti di desalinizzazione.,
le Nuove tecnologie hanno contribuito anche al campo: La possibilità di creare superfici nanostrutturati, con urti o creste di pochi miliardesimi di metro di larghezza, ha attivato una nuova generazione di acqua-grabbing e acqua-spargimento materiali; nuovo imaging ad alta risoluzione di superfici in movimento ha permesso una migliore comprensione dei processi coinvolti.
La ricerca abilitata dalle nuove tecnologie consente di comprendere e manipolare questi comportamenti a un livello di dettaglio impensabile un decennio o due fa., Ma a volte i nuovi metodi mostrano quanto bene gli scienziati avevano capito le cose molto tempo fa:” È incredibile”, dice Varanasi, ” che alcune delle cose che possiamo convalidare ora siano state predette un secolo fa.”