In molti processi industriali, come nei bioreattori che producono combustibili o prodotti farmaceutici, la schiuma può intralciare. Le bolle schiumose possono occupare molto spazio, limitando il volume disponibile per la realizzazione del prodotto e talvolta gommando tubi e valvole o danneggiando le cellule viventi. Le aziende spendono circa 3 miliardi di dollari l'anno in additivi chimici chiamati antischiuma, ma questi possono influenzare la purezza del prodotto e possono richiedere passaggi di lavorazione aggiuntivi per la loro rimozione.

Ora, i ricercatori del MIT hanno escogitato un semplice, poco costoso, e sistema completamente passivo per ridurre o eliminare l'accumulo di schiuma, utilizzando fogli attira-bolle di rete appositamente strutturata che fanno collassare le bolle con la stessa velocità con cui si formano. Il nuovo processo è descritto nella rivista Interfacce materiali avanzati , in un articolo del neolaureato Leonid Rapoport Ph.D. '18, studente in visita Theo Emmerich, e professore di ingegneria meccanica Kripa Varanasi.

Il nuovo sistema utilizza superfici che i ricercatori chiamano "aerofile, " che attraggono e rilasciano bolle d'aria o di gas più o meno allo stesso modo in cui le superfici idrofile (che attirano l'acqua) fanno sì che le goccioline d'acqua aderiscano a una superficie, sparsi, e cadi via, spiega Varanasi.

"Le schiume sono ovunque" nei processi industriali, lui dice, compresa la produzione di birra, fabbricazione della carta, produzione e lavorazione di petrolio e gas, generazione di biocarburanti, produzione di shampoo e cosmetici, e lavorazione chimica.

Anche, "È una delle sfide principali nella coltura cellulare o nei bioreattori, " aggiunge. Per favorire la crescita cellulare, vari gas sono tipicamente diffusi attraverso l'acqua o altro mezzo liquido. Ma questo può portare a un accumulo di schiuma, e quando le bollicine scoppiano possono produrre forze di taglio che possono danneggiare o uccidere le cellule, quindi il controllo della schiuma è essenziale.

Il modo abituale di affrontare il problema della schiuma è aggiungere sostanze chimiche come glicoli o alcoli, che in genere devono essere nuovamente filtrati. Ma questo aggiunge costi e passaggi di elaborazione aggiuntivi, e possono influenzare la chimica del prodotto. Così, la squadra ha chiesto, "Come puoi eliminare le schiume senza dover aggiungere prodotti chimici? Questa è stata la nostra sfida, "Dice Varanasi.

Per affrontare il problema, hanno creato video ad alta velocità per studiare come le bolle reagiscono quando colpiscono una superficie. Hanno scoperto che le bolle tendono a rimbalzare come una palla di gomma, rimbalzando più volte prima di rimanere in posizione, proprio come fanno le gocce di liquido quando colpiscono una superficie, solo capovolto. (Le bolle stanno salendo, quindi rimbalzano verso il basso.)

"Per catturare efficacemente la bolla impattante, bisognava capire come drena il film liquido che lo separa dalla superficie, " dice Rapoport. "E abbiamo dovuto iniziare dal punto di partenza perché non c'era nemmeno una metrica stabilita per misurare quanto una superficie è brava a catturare le bolle d'impatto. In definitiva, siamo stati in grado di capire la fisica dietro ciò che fa rimbalzare una bolla, e questa comprensione ha guidato il processo di progettazione".

Il team ha ideato un dispositivo piatto che ha una serie di trame di superficie accuratamente progettate in una varietà di scale di dimensioni. La superficie è stata regolata in modo che le bolle aderissero subito senza rimbalzare, e si espandono rapidamente e si dissolvono per far posto alla bolla successiva invece di accumularsi come schiuma.

"La chiave per catturare rapidamente le bolle e controllare la schiuma si è rivelata un sistema a tre strati con caratteristiche di dimensioni progressivamente più fini, " dice Emmerich. Queste caratteristiche aiutano a intrappolare uno strato d'aria molto sottile lungo la superficie di un materiale. Questa superficie, noto come piastrone, ha somiglianze con la trama di alcune piume sugli uccelli subacquei che aiutano a mantenere gli animali asciutti sott'acqua. In questo caso, il plastron aiuta a far aderire le bolle alla superficie ea dissiparle.

L'effetto finale è quello di ridurre di cento volte il tempo impiegato da una bolla per aderire alla superficie, dice Varanasi. Nei test, il tempo di rimbalzo è stato ridotto da centinaia di millisecondi a pochi millisecondi.

Per testare l'idea in laboratorio, il team ha costruito un dispositivo contenente una superficie cattura-bolle e lo ha inserito in un becher che aveva bolle che salivano attraverso di esso. Hanno messo quel bicchiere accanto a uno identico contenente schiuma schiumosa con un foglio della stessa dimensione, ma senza il materiale strutturato. Nel bicchiere con la superficie cattura bolle, la schiuma si dissolse rapidamente fino a quasi nulla, mentre uno strato intero di schiuma è rimasto al suo posto nell'altro bicchiere.

Tali superfici cattura bolle potrebbero essere facilmente adattate a molti impianti di lavorazione industriale che attualmente si affidano a sostanze chimiche antischiuma, dice Varanasi. Ha ipotizzato che nel lungo periodo, un tale metodo potrebbe anche essere usato come un modo per catturare il metano che filtra dallo scioglimento del permafrost mentre il mondo si riscalda. Ciò potrebbe impedire a parte di quel potente gas serra di raggiungere l'atmosfera, e allo stesso tempo fornire una fonte di carburante. A questo punto quella possibilità è "torta nel cielo, " lui dice, ma in linea di principio potrebbe funzionare.

A differenza di molti nuovi sviluppi tecnologici, questo sistema è abbastanza semplice da poter essere facilmente implementato, dice Varanasi. "È pronto per partire... Non vediamo l'ora di lavorare con l'industria".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.