Alcuni corpi di insetti hanno evoluto la capacità di respingere l'acqua e l'olio, aderire a diverse superfici, ed eliminare i riflessi di luce. Gli scienziati hanno studiato i meccanismi fisici alla base di queste straordinarie proprietà presenti in natura e li hanno imitati per progettare materiali da utilizzare nella vita di tutti i giorni.

Diversi anni fa, gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno sviluppato un metodo di testurizzazione superficiale su nanoscala per conferire completa idrorepellenza ai materiali, una proprietà ispirata agli esoscheletri di insetti che hanno minuscoli peli progettati per respingere l'acqua intrappolando l'aria. Il loro metodo sfrutta la capacità dei materiali chiamati copolimeri a blocchi (catene di due molecole distinte collegate tra loro) di autoassemblarsi in modelli ordinati con dimensioni che misurano solo decine di nanometri. Gli scienziati hanno utilizzato questi modelli autoassemblati per creare trame su nanoscala in una varietà di materiali inorganici, compreso il silicio, bicchiere, e alcune plastiche. Inizialmente, hanno studiato come cambiare la forma delle trame dalla capacità dei materiali impattati cilindrici a conici di respingere l'acqua. Le nanostrutture a forma di cono si sono dimostrate molto migliori nel costringere le gocce d'acqua a rotolare via, portando via le particelle di sporco e lasciando le superfici completamente asciutte.

Ora, lavorare con i colleghi in Francia, da ESPCI Paris Tech, École Polytechnique, e il Gruppo Thales:hanno inoltre dimostrato che le nanotessiture ottimizzate hanno eccellenti capacità antiappannamento, come descritto in un articolo pubblicato online nel numero del 27 febbraio di Materiali della natura . Guidato da David Quéré di ESPCI e École Polytechnique, la ricerca fornisce una comprensione fondamentale che può informare nuovi progetti per le bobine di condensazione dei generatori di corrente a turbina a vapore, parabrezza di auto e aerei, e altri materiali soggetti ad appannamento.

"Molti materiali strutturati possono respingere l'acqua, con gocce d'acqua millimetriche che rimbalzano sulle loro superfici, ma molte di queste superfici falliscono se esposte a condizioni di nebbia o umidità, " disse Charles Black, direttore del Center for Functional Nanomaterials (CFN) di Brookhaven Lab, il DOE Office of Science User Facility dove Black e l'ex fisico Antonio Checco del Condensed Matter Physics and Materials Science Department di Brookhaven e l'ex ricercatore postdottorato CFN Atikur Rahman hanno fabbricato le nanotessiture.

La nebbia si forma quando è calda, l'aria umida colpisce una superficie più fredda (come una finestra o un parabrezza) e forma goccioline d'acqua, un processo chiamato condensa. Quando le gocce d'acqua sono di dimensioni simili alle caratteristiche strutturali di una superficie idrofoba testurizzata ("odia l'acqua"), possono entrare e crescere all'interno della trama, invece di rimanere in cima. Una volta che la trama si riempie, l'acqua atterra sul materiale si blocca, con conseguente comparsa di nebbia.

Gli scienziati hanno precedentemente osservato che le ali delle cicale, che sono ricoperti da trame nanometriche a forma di cono, hanno la capacità di respingere la nebbia facendo saltare spontaneamente le gocce d'acqua dalla loro superficie, un fenomeno causato dalla conversione efficiente dell'energia superficiale in energia cinetica quando due goccioline si combinano. Motivato da questo esempio dalla natura, il team ha studiato come la riduzione delle dimensioni della trama e la modifica della forma della trama influiscano sulla capacità antiappannamento della superficie di un modello.

Per simulare condizioni di appannamento, gli scienziati hanno riscaldato l'acqua e misurato la forza di adesione mentre le gocce d'acqua calda si raffreddavano al contatto con le superfici nanostrutturate. Queste misurazioni hanno rivelato che l'adesione delle goccioline era significativamente influenzata dal tipo di nanostruttura superficiale, con gocce calde che aderiscono fortemente a quelle con trame grandi e difficilmente si attaccano alle superfici con quelle più piccole.

"Texture con le dimensioni delle caratteristiche più piccole e la forma appropriata, in questo caso, conico:resiste all'appannamento perché le gocce d'acqua condensate sono troppo grandi per penetrare nella trama. Le goccioline rimangono in cima, essenzialmente galleggiando sul cuscino d'aria intrappolato al di sotto, " disse Nero.

Gli scienziati hanno quindi utilizzato un microscopio ottico collegato a una videocamera ad alta risoluzione per visualizzare la condensa delle goccioline su diverse trame durante la formazione di rugiada, quando l'umidità atmosferica si condensa più velocemente di quanto evapora. Mentre tutte le trame sono inizialmente coperte da un gran numero di microgoccioline, nel tempo le trame dalla forma cilindrica si ricoprono di acqua, mentre quelli di forma conica si asciugano spontaneamente. Le strutture a forma conica resistono alla formazione di rugiada perché le gocce d'acqua aderiscono così leggermente alla superficie che quando due gocce si uniscono, guadagnano abbastanza energia per saltare spontaneamente dalla superficie, simile al meccanismo osservato nelle ali di cicala.

"Questo lavoro rappresenta l'eccellente, potere moltiplicativo delle strutture utente DOE. In questo caso, La collaborazione iniziale di CFN con un utente di uno dei dipartimenti di Brookhaven ha portato a una nuova connessione internazionale con diversi utenti, che ha portato lo studio delle superfici idrofobiche in nuove direzioni, " disse Nero.