Un nuovo sistema sviluppato dagli ingegneri del MIT potrebbe consentire di controllare il modo in cui l'acqua si muove su una superficie, usando solo la luce. Questo progresso potrebbe aprire la porta a tecnologie come dispositivi diagnostici microfluidici i cui canali e valvole potrebbero essere riprogrammati al volo, o sistemi di campo che potrebbero separare l'acqua dal petrolio in una piattaforma di perforazione, dicono i ricercatori.

Il sistema, riportato sul giornale Comunicazioni sulla natura , è stato sviluppato dal professore associato di ingegneria meccanica del MIT Kripa Varanasi, School of Engineering Professor of Teaching Innovation Gareth McKinley, l'ex postdoc Gibum Kwon, studente laureato Divya Panchanathan, l'ex ricercatore Seyed Mahmoudi, e Mohammed Gondal alla King Fahd University of Petroleum and Minerals in Arabia Saudita.

L'obiettivo iniziale del progetto era trovare modi per separare l'olio dall'acqua, Per esempio, per trattare la miscela schiumosa di acqua salmastra e petrolio greggio prodotta da alcuni pozzi petroliferi. Più accuratamente queste miscele vengono mescolate, più fini sono le goccioline, più è difficile separarle. A volte vengono utilizzati metodi elettrostatici, ma questi sono ad alta intensità energetica e non funzionano quando l'acqua è altamente salina, come spesso accade. Anziché, il team ha esplorato l'uso di superfici "photoresponsive", le cui risposte all'acqua possono essere alterate dall'esposizione alla luce.

Creando superfici le cui interazioni con l'acqua, una proprietà nota come bagnabilità, potrebbero essere attivate dalla luce, i ricercatori hanno scoperto che potevano separare direttamente l'olio dall'acqua facendo fondere e diffondere singole gocce d'acqua sulla superficie. Più le gocce d'acqua si fondono insieme, più si separano dall'olio.

I materiali fotosensibili sono stati ampiamente studiati e utilizzati; un esempio è l'ingrediente attivo nella maggior parte dei filtri solari, diossido di titanio, noto anche come titania. Ma la maggior parte di questi materiali, compreso il titanio, rispondono principalmente alla luce ultravioletta e quasi mai alla luce visibile. Eppure solo il 5% circa della luce solare si trova nella gamma dell'ultravioletto. Quindi i ricercatori hanno trovato un modo per trattare la superficie in titanio per renderla reattiva alla luce visibile.

Lo hanno fatto utilizzando prima una tecnica di deposizione strato per strato per costruire un film di particelle di titania legate al polimero su uno strato di vetro. Quindi hanno rivestito il materiale con un semplice colorante organico. La superficie risultante si è rivelata altamente reattiva alla luce visibile, producendo un cambiamento nella bagnabilità quando esposto alla luce solare che è molto maggiore di quello della titania stessa. Quando attivato dalla luce solare, il materiale si dimostrò molto efficace nel "demulsionare" la miscela olio-acqua, facendo in modo che l'acqua e l'olio si separassero l'uno dall'altro.

"Ci siamo ispirati al lavoro nel fotovoltaico, dove la sensibilizzazione al colorante è stata utilizzata per migliorare l'efficienza di assorbimento della radiazione solare, " dice Varansi. "L'accoppiamento del colorante alle particelle di titania consente la generazione di portatori di carica all'illuminazione della luce. Questo crea una differenza di potenziale elettrico da stabilire tra la superficie e il liquido al momento dell'illuminazione, e porta a un cambiamento nelle proprietà bagnanti."

"L'acqua salina si diffonde sulla nostra superficie sotto l'illuminazione, ma l'olio no, "dice Kwon, che ora è un assistente professore presso l'Università del Kansas. "Abbiamo scoperto che praticamente tutta l'acqua di mare si diffonderà in superficie e si separerà dal petrolio greggio, sotto la luce visibile."

Lo stesso effetto potrebbe essere utilizzato anche per guidare le gocce d'acqua su una superficie, come il team ha dimostrato in una serie di esperimenti. Modificando selettivamente la bagnabilità del materiale utilizzando un raggio di luce in movimento, una goccia può essere diretta verso l'area più bagnabile, spingendolo in qualsiasi direzione desiderata con grande precisione. Tali sistemi potrebbero essere progettati per realizzare dispositivi microfluidici senza confini o strutture integrate. Il movimento del liquido, ad esempio un campione di sangue in un laboratorio diagnostico su chip, sarebbe interamente controllato dal modello di illuminazione proiettato su di esso.

"Studiando sistematicamente la relazione tra i livelli energetici del colorante e la bagnabilità del liquido di contatto, abbiamo creato un quadro per la progettazione di questi sistemi di manipolazione dei liquidi guidati dalla luce, "Dice Varanasi. "Scegliendo il giusto tipo di tintura, possiamo creare un cambiamento significativo nella dinamica delle gocce. È un movimento indotto dalla luce, un movimento senza contatto di goccioline".

La bagnabilità commutabile di queste superfici ha un altro vantaggio:possono essere ampiamente autopulenti. Quando la superficie passa da idrofila (idrofila) a idrorepellente (idrofobica), l'acqua in superficie viene espulsa, portando con sé eventuali contaminanti che potrebbero essersi accumulati.

Poiché l'effetto fotoreattivo si basa sul rivestimento di tintura, può essere altamente sintonizzato selezionando tra le migliaia di coloranti organici disponibili. Tutti i materiali coinvolti nel processo sono ampiamente disponibili, poco costoso, materie prime, dicono i ricercatori, e i processi per realizzarli sono all'ordine del giorno.