Un fluido di stress da snervamento simile al gel, superiore, si muove come un tappo senza cesoiamento in un tubo con il nuovo rivestimento superficiale. In fondo, lo stesso fluido si vede tranciarsi mentre scorre in un tubo non rivestito, dove parte del fluido si attacca al tubo mentre parte di esso continua a fluire. Credito:Massachusetts Institute of Technology
Un team di ricerca del MIT che ha già superato il problema di estrarre il ketchup dalla sua bottiglia ha ora affrontato una nuova categoria di problemi di consumo e produzione:come far scivolare materiali molto più spessi senza attaccarsi o deformarsi.
I rivestimenti scivolosi che il team ha sviluppato, chiamate superfici impregnate di liquido, potrebbe avere numerosi vantaggi, compresa l'eliminazione degli scarti di produzione derivanti da materiale che si attacca all'interno delle apparecchiature di lavorazione. Potrebbero anche migliorare la qualità dei prodotti che vanno dal pane ai prodotti farmaceutici, e persino migliorare l'efficienza delle batterie di flusso, una tecnologia in rapido sviluppo che potrebbe aiutare a promuovere l'energia rinnovabile fornendo uno stoccaggio economico per l'elettricità generata.
Queste superfici si basano su principi inizialmente sviluppati per aiutare gli alimenti, cosmetici, e altri liquidi viscosi scivolano fuori dai loro contenitori, come ideato da Kripa Varanasi, professore di ingegneria meccanica al MIT, insieme agli ex studenti Leonid Rapoport Ph.D. '18 e Brian Solomon Ph.D. '16. Il nuovo lavoro è descritto sulla rivista Materiali e interfacce applicati ACS .
Come le prime superfici che hanno sviluppato, che ha portato alla creazione di una società spin-off chiamata LiquiGlide, le nuove superfici si basano su una combinazione di una superficie appositamente strutturata e un lubrificante liquido che ricopre la superficie e rimane intrappolato in posizione attraverso l'azione capillare e altre forze intermolecolari associate a tali interfacce. Il nuovo documento spiega i principi di progettazione fondamentali che possono ottenere una riduzione dell'attrito di quasi il 100% per questi fluidi gelatinosi.
Ho bisogno di una stretta
Tali materiali, noti come fluidi di stress da snervamento, compresi gel e paste, sono onnipresenti. Possono essere trovati in prodotti di consumo come cibo, condimenti, e cosmetici, e nei prodotti dell'industria energetica e farmaceutica. A differenza di altri fluidi come acqua e oli, questi materiali non inizieranno a fluire da soli, anche quando il loro contenitore è capovolto. L'avvio del flusso richiede un apporto di energia, come schiacciare il contenitore.
Ma quella spremitura ha i suoi effetti. Per esempio, le macchine per la panificazione includono tipicamente raschietti che spingono costantemente l'impasto appiccicoso lontano dai lati del suo contenitore, ma quel raschiamento costante può comportare un impasto eccessivo e una pagnotta più densa. Un contenitore scivoloso che non richiede raschiatura potrebbe quindi produrre un pane più gustoso, dice Varanasi. Utilizzando questo sistema, "oltre a tirare fuori tutto dal contenitore, ora aggiungi una qualità superiore" del prodotto risultante.
Questo potrebbe non essere fondamentale quando si tratta di pane, ma può avere un grande impatto sui prodotti farmaceutici, lui dice. L'uso di raschiatori meccanici per spingere i materiali farmaceutici attraverso serbatoi e tubi di miscelazione può interferire con l'efficacia del medicinale, perché le forze di taglio coinvolte possono danneggiare le proteine e altri composti attivi nel farmaco.
Utilizzando i nuovi rivestimenti, in alcuni casi è possibile ottenere una riduzione del 100% della resistenza all'esperienza materiale, equivalente a "scorrimento infinito, "Dice Varanasi.
Quando un fluido di stress di snervamento, un materiale simile al gel, scorre in un semplice tubo di vetro si attacca alle pareti e subisce sollecitazioni di taglio. Però, un tubo rivestito con un rivestimento scivoloso consente al fluido di muoversi come un tappo senza cesoie e senza sbavature sul tubo. Credito:Massachusetts Institute of Technology
"In generale le superfici sono abilitanti, " dice Rapoport. "Superfici superidrofobiche, Per esempio, consentire all'acqua di scorrere facilmente, ma non tutti i fluidi possono rotolare. Le nostre superfici consentono ai fluidi di muoversi nel modo più preferibile per loro, che sia rotolante o scorrevole. Inoltre abbiamo scoperto che i fluidi a carico di snervamento possono muoversi sulle nostre superfici senza cesoiamento, essenzialmente scorrevole come corpi solidi. Questo è molto importante quando si desidera mantenere l'integrità di questi materiali durante la lavorazione".
Come la versione precedente delle superfici scivolose create da Varanasi e dai suoi collaboratori, il nuovo processo inizia realizzando una superficie strutturata su scala nanometrica, o incidendo sulla superficie una serie di pilastri o pareti ravvicinati, o rettifica meccanica di scanalature o fosse. La trama risultante è progettata per avere caratteristiche così minuscole che l'azione capillare, lo stesso processo che consente agli alberi di attirare l'acqua fino ai rami più alti attraverso minuscole aperture sotto la corteccia, può agire per trattenere un liquido, come un olio lubrificante, a posto sulla superficie. Di conseguenza, qualsiasi materiale all'interno di un contenitore con questo tipo di rivestimento viene essenzialmente a contatto solo con il liquido lubrificante, e scivola via invece di attaccarsi alla solida parete del contenitore.
Il nuovo lavoro descritto in questo documento descrive in dettaglio i principi escogitati dai ricercatori per consentire la selezione ottimale della strutturazione della superficie, materiale lubrificante, e processo di fabbricazione per qualsiasi applicazione specifica con la sua particolare combinazione di materiali.
Aiutare le batterie a scorrere
Un'altra importante applicazione per i nuovi rivestimenti è in una tecnologia in rapido sviluppo chiamata batterie a flusso. In queste batterie, gli elettrodi solidi sono sostituiti da un impasto liquido di minuscole particelle sospese in un liquido, che ha il vantaggio che la capacità della batteria può essere aumentata in qualsiasi momento semplicemente aggiungendo serbatoi più grandi. Ma l'efficienza di tali batterie può essere limitata dalle portate.
L'utilizzo dei nuovi rivestimenti scivolosi potrebbe aumentare significativamente l'efficienza complessiva di tali batterie, e Varanasi ha lavorato con i professori del MIT Gareth McKinley e Yet-Ming Chiang allo sviluppo di un tale sistema guidato da Solomon e Xinwei Chen, un ex postdoc nel laboratorio di Chiang.
Questi rivestimenti potrebbero risolvere un enigma che i progettisti di batterie a flusso hanno dovuto affrontare, perché avevano bisogno di aggiungere carbonio al materiale dell'impasto liquido per migliorarne la conduttività elettrica, ma il carbonio rendeva anche la sospensione molto più densa e interferiva con il suo movimento, portando a "una batteria di flusso che non poteva fluire, "Dice Varanasi.
"In precedenza le batterie a flusso avevano un compromesso in quanto aggiungendo più particelle di carbonio la sospensione diventa più conduttiva, ma diventa anche più spesso e molto più difficile da scorrere, " dice Solomon. "L'utilizzo di superfici scivolose ci consente di avere il meglio di entrambi i mondi consentendo il flusso di superfici spesse, fanghi di stress da rendimento."
Il sistema migliorato ha consentito l'uso di una formulazione dell'elettrodo di flusso che ha comportato un aumento di quattro volte della capacità e un risparmio dell'86 percento in potenza meccanica, rispetto all'utilizzo delle superfici tradizionali. Questi risultati sono stati descritti di recente sulla rivista Materiali energetici applicati ACS .
"Oltre a fabbricare un dispositivo a batteria di flusso che incorpora le superfici scivolose, abbiamo anche stabilito criteri di progettazione per il loro elettrochimico, chimico, e stabilità termodinamica, " spiega Solomon. "Le superfici ingegneristiche per una batteria a flusso aprono un ramo completamente nuovo di applicazioni che possono aiutare a soddisfare la futura domanda di accumulo di energia".
