Poiché l'interesse e la domanda per le nanotecnologie continuano a crescere, così sarà la necessità di stampa e spruzzatura su scala nanometrica, che si basa sul deposito di minuscole gocce di liquido su una superficie. Ora i ricercatori dell'Università Tsinghua di Pechino hanno sviluppato una nuova teoria che descrive come una gocciolina di queste dimensioni si deforma e si rompe quando colpisce una superficie.

Il modello, discussi nella loro pubblicazione che appare questa settimana in Fisica dei fluidi , potrebbe aiutare i ricercatori a migliorare la qualità della stampa e del rivestimento su nanoscala, importante per qualsiasi cosa, dalla stampa e rivestimento di piccoli dispositivi e strutture a macchine e robot per la stampa 3D.

Quando si tratta di verniciare a spruzzo, Per esempio, più piccole e veloci sono le goccioline quando colpiscono la superficie, migliore è la qualità del rivestimento, disse Min Chen, professore nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell'Università Tsinghua. Però, a determinate velocità di collisione, le gocce si romperanno e schizzeranno, rovinare il rivestimento.

Quindi, per migliorare le tecniche di stampa e spruzzatura, dobbiamo capire meglio le condizioni che causano la deformazione delle goccioline quando colpiscono una superficie, così come si rompono. Ma poiché sperimentare con goccioline nanometriche è molto difficile, i ricercatori spesso si affidano a simulazioni al computer.

Bu-Xuan Li e Xin-Hao Li, insieme a Chen, utilizzato una tecnica chiamata simulazione di dinamica molecolare, in cui hanno simulato ogni molecola che compone una goccia d'acqua. Ogni goccia, composto da circa 12, 000 molecole, ha un diametro di circa 8,6 nanometri e colpisce la superficie a velocità di poche centinaia di metri al secondo. Il computer simula ciò che accade quando la raccolta di molecole d'acqua colpisce una superficie piana.

"Abbiamo sviluppato un modello analitico per descrivere il processo di deformazione e un altro per descrivere il processo di rottura, " Ha detto Chen. Il modello di deformazione migliora il lavoro precedente della squadra, "ma il modello di rottura è totalmente nuovo."

Il modello di rottura combina la teoria con i risultati delle simulazioni, fornendo una formula che i ricercatori possono utilizzare per calcolare quando una goccia si rompe. Secondo Chen, il modello è pronto per l'uso nelle applicazioni.

Una limitazione è che il modello è verificato solo per funzionare per goccioline su scala nanometrica, e non per goccioline più grandi. "Il motivo è che il modo in cui una goccia si rompe è diverso in macro e nanoscala, " ha detto Bu-Xuan Li.

Il modello si applica anche solo ai cosiddetti fluidi newtoniani come l'acqua. I ricercatori stanno ora lavorando allo sviluppo di un modello per fluidi non newtoniani, come il petrolio greggio o la miscela appiccicosa di amido di mais e acqua talvolta nota come Oobleck. Per esempio, sarebbe necessario un modello non newtoniano per la stampa di polimeri e biomateriali in 3D, come i tessuti e gli organi umani.

Il modello è applicabile anche per descrivere come le gocce d'acqua si scontrano con gli aerei e formano il ghiaccio, che è un pericolo per la sicurezza. Queste gocce d'acqua, sospesi tra le nuvole, tipicamente vanno da 20 a 50 micrometri, più grandi di quelli nelle simulazioni. Ancora, Chen ha detto, il loro modello è utile perché non si sa molto su come quelle gocce d'acqua colpiscono gli aerei.