Un esperimento, elegante nella sua semplicità, aiuta a spiegare perché l'acqua si elettrizza quando tocca superfici idrofobiche.

Da oltre un secolo, gli scienziati sono rimasti perplessi dall'elettrificazione dell'acqua quando viene portata a contatto con materiali idrorepellenti o "idrofobici", come cera di paraffina, oli, bolle d'aria e membrane e fogli perfluorurati. I meccanismi sottostanti rimangono oggetto di accesi dibattiti. Ora, un team di ingegneri KAUST ha districato i ruoli dell'acqua, idrofobicità e fattori ambientali in questo processo. Questo contributo fondamentale potrebbe supportare lo sviluppo di dispositivi migliori per la microfluidica e la nanofluidica e per la generazione di energia pulita.

"Le superfici idrofobiche sono abbastanza comuni, " nota Jamilya Nauruzbayeva, dottorato di ricerca studente e autore principale dello studio. "Ad esempio, pipette in polipropilene e perfluorurate, tubi, i rivestimenti e le membrane sono superfici idrofobe utilizzate per molte scienze di base e applicazioni ingegneristiche. Così, è importante capire quali meccanismi sono in gioco per migliorarli e svilupparne di nuovi".

Himanshu Mishra, che ha ideato e condotto questo studio, dice che ha pensato a questo problema per oltre cinque anni. "Sondare la superficie dell'acqua è un'impresa atrocemente difficile perché lo spessore delle interfacce è fino alla scala molecolare, che nessuna tecnica sperimentale può sondare senza ambiguità, "Spiega Mishra.

"Questo è un argomento elettrizzante alle conferenze sull'acqua; nel corso degli anni, attraverso esperimenti e teorie, sono stati proposti diversi fattori e meccanismi in competizione, " dice Mishra. Questi includono, ad esempio, la natura dipolare della molecola d'acqua; il trasferimento di carica istantaneo tra molecole d'acqua interfacciali e idrofobi; la dissoluzione della CO2 atmosferica in acqua; e l'accumulo interfacciale di ioni intrinseci dell'acqua (cioè, ioni idrossido e idronio).

Mishra e i suoi studenti hanno collaborato con Carlos Santamarina per progettare esperimenti elementari per districare il ruolo dell'acqua, i suoi ioni e pH, idrofobicità delle superfici, e fattori ambientali, come l'umidità relativa e il contenuto di CO2.

Utilizzando un condensatore a piastre parallele, hanno esposto goccioline "pendenti" formate da capillari idrofobici che rispondono a campi elettrici uniformi. La competizione tra il loro peso e la forza elettrica ha inclinato le goccioline pendenti, che ha rivelato la loro carica.

Prossimo, hanno utilizzato un elettrometro, in grado di misurare le cariche fino a pochi elettroni, per misurare la carica dei serbatoi d'acqua da cui sono state prelevate le goccioline. Hanno scoperto che quando una goccia d'acqua viene prelevata usando un capillare idrofobo, il serbatoio dell'acqua acquisisce una carica negativa uguale e contraria. Questo non è il caso quando si utilizza un capillare di vetro.

"Da questi risultati sperimentali, potremmo dedurre che queste superfici idrofobe portassero carica superficiale negativa, anche in aria, il che è abbastanza controintuitivo, " spiega Nauruzbayeva. "Quando la superficie viene inserita nell'acqua, gli ioni positivi vengono attratti verso di esso e gli ioni negativi vengono respinti. L'idrofobicità assicura che il liquido si allontani dalla superficie senza lasciare un film dietro."

"Questa scoperta è nata da una profonda comprensione dei concetti scientifici unita alla semplice eleganza scientifica, " dice Santamarina. Mishra concorda concludendo che "la forza del nostro contributo sta nella sua semplicità".