Il tempo passa dall'immagine di sinistra all'immagine di destra, dove la colonna di immagini all'estrema destra rappresenta le gocce che mostrano la massima diffusione. (a) altezza di rilascio della goccia z=10 mm, (b) z=100 mm, (c) z=700 mm. Credito:assistente professore Yukihiro Yonemoto
I ricercatori giapponesi sono riusciti a derivare una formula teorica che prevede quantitativamente il comportamento di bagnatura e diffusione delle goccioline che si scontrano con la superficie piana di un materiale solido. Sebbene il comportamento delle goccioline che collidono con una superficie solida appaia superficialmente semplice, in realtà è piuttosto complicato a causa di fattori correlati come rugosità superficiale, movimento fluido, e bagnabilità (facilità di aderenza del liquido) della superficie solida da parte del liquido. Nel passato, ricercatori di tutto il mondo hanno tentato di fare previsioni quantitative sull'estensione delle aree umide attraverso la sperimentazione, teoria e analisi numerica, ma previsione, soprattutto durante le collisioni lente, non sono ancora state realizzate.
Le collisioni di gocce su superfici solide sono fondamentali per molte applicazioni industriali, come le stampanti a getto d'inchiostro, iniettori di carburante e raffreddamento a spruzzo. La massima area di bagnatura e diffusione delle gocce dopo la collisione è uno dei parametri più importanti che influenzano la qualità e l'efficienza di tali apparecchiature.
L'area di bagnatura e diffusione massima di una goccia varia anche a seconda della natura della goccia, la velocità con cui la goccia colpisce, e la natura del solido su cui colpisce. Per esempio, quando una goccia si scontra con il vetro o il teflon, l'area di bagnatura e diffusione massima sarà diversa. La facilità con cui un liquido aderisce ad una superficie dipende dalla bagnabilità della superficie. La bagnabilità delle goccioline aderenti ad una superficie solida è caratterizzata dall'equazione di equilibrio dinamico tangenziale (l'equazione di Young) alla linea di contatto.
In precedenti studi teorici sulla massima area di bagnatura e diffusione delle gocce di collisione, è stata considerata solo l'equazione di equilibrio della linea di contatto nella direzione tangenziale. Non c'erano espressioni relazionali per prevedere l'area di bagnatura e diffusione massima di una gocciolina in un'ampia gamma di condizioni di velocità d'urto. Tipicamente, vengono utilizzati due metodi per eseguire i calcoli, uno quando le velocità di collisione sono elevate e un altro quando le velocità sono basse. Però, il metodo convenzionale utilizzato per le collisioni ad alta velocità genera grandi errori a basse velocità, e il metodo convenzionale utilizzato per le collisioni a bassa velocità restituisce grandi errori alle alte velocità.
Il nuovo modello teorico del ricercatore dell'Università di Kumamoto considera la componente normale della tensione superficiale del liquido oltre alla componente tangenziale. Credito:assistente professore Yukihiro Yonemoto
Per ridurre gli errori di calcolo, una collaborazione tra i ricercatori dell'Università di Kumamoto e dell'Università di Kyoto si è concentrata sulla normale tensione superficiale sulla linea di contatto, e il bilancio energetico delle goccioline che collidono con le superfici solide. Mentre lo fai, hanno considerato gli svantaggi dell'utilizzo di metodi convenzionali per valutare la dissipazione viscosa di energia causata dal movimento del fluido all'interno di una goccia al momento della collisione, e derivato una nuova formula teorica.
Questa formula prevede quantitativamente l'area di bagnatura e diffusione massima quando le goccioline si scontrano con vari tipi di solidi, come la gomma siliconica o i substrati superidrofobici. Per di più, i ricercatori hanno confermato che può essere applicato non solo a goccioline di dimensioni millimetriche ma anche di dimensioni micro.
Grafico che mostra l'efficacia di un nuovo modello teorico per la previsione dell'area di diffusione di una goccia d'acqua su una superficie solida rispetto ai precedenti modelli convenzionali. Credito:assistente professore Yukihiro Yonemoto
"Recentemente, la tecnologia di fabbricazione di circuiti su scala nanometrica per substrati semiconduttori utilizzando la tecnologia a getto d'inchiostro ha attirato molta attenzione, " ha affermato l'assistente professore Yukihiro Yonemoto dell'Università di Kumamoto, chi conduce lo studio. "Osservazioni di fenomeni su scala nanometrica, però, richiedono costose apparecchiature sperimentali, e la previsione mediante analisi numerica richiede una tecnologia specializzata. Utilizzando un metodo semplice per prevedere l'area di diffusione della bagnatura massima di una goccia dopo la collisione, possiamo aspettarci di realizzare progetti di circuiti più efficienti, tra le altre cose." Le goccioline che colpiscono la superficie di un materiale solido piatto non solo si allungheranno e si diffonderanno, ma si dividerà anche in goccioline più fini (fenomeno di spruzzi) se l'energia al momento della collisione è grande. I ricercatori dell'Università di Kumamoto e dell'Università di Kyoto stanno attualmente lavorando a una teoria che consideri questi fenomeni per estendere ulteriormente i risultati della loro ricerca.
Questa scoperta è stata pubblicata online nella rivista ad accesso aperto Rapporti scientifici il 24 maggio 2017.
