Per la maggior parte, i ricercatori di fluidodinamica hanno concentrato gli sforzi per comprendere i dettagli delle gocce d'urto su superfici rigide piane; l'effetto di curvatura, superfici convesse o cedevoli sulla dinamica delle gocce d'urto è ancora relativamente sconosciuto. Questo nonostante la sua estrema rilevanza per le applicazioni moderne, come la stampa a getto d'inchiostro 3D e la consegna di pesticidi sulle foglie.

Un team di ricercatori del Laboratorio di Fisica Tecnica dell'Università di Liverpool nel Regno Unito ha ora dettagliato questi effetti studiando l'impatto delle gocce d'acqua sulle superfici morbide sferiche. Presentano la loro ricerca questa settimana sulla rivista Fisica dei fluidi , da AIP Publishing.

Utilizzando un elastomero siliconico polidimetilsilossano (PDMS), i ricercatori hanno prodotto una varietà di substrati elastici emisferici convessi. Diversi set di esperimenti sono stati condotti dal team di Liverpool, variare i parametri di impatto, compresi i rapporti di diametro, modulo elastico del polimero e numeri di Weber.

"Abbiamo preso un materiale morbido, un polimero siliconico, e siamo stati in grado di modificare la morbidezza o la durezza di questo silicone, preparandolo in modi diversi, " disse Volfango Bertola, un membro del gruppo di ricerca.

L'analisi del team si è concentrata sulle quantità che caratterizzano la morfologia, o l'allargamento e la retrazione, di gocce d'urto, e gli effetti che i parametri di impatto hanno sull'apertura e sulla retrazione. Hanno usato l'elaborazione delle immagini per intravedere questi fenomeni, e poi per misurare i range degli angoli di spargimento, lunghezze delle curve bagnate e angoli di contatto dinamici per le gocce d'acqua che colpiscono vari polimeri.

Un'esclusiva tecnica di elaborazione delle immagini basata su una maschera goniometrica ha fornito misurazioni dell'angolo di contatto dinamico durante l'impatto. Questa nuova tecnica non richiede che la forma della goccia sia sferica, o anche essere simmetrico, ed è questo che ha reso possibile la misurazione dell'angolo di contatto dinamico.

I ricercatori hanno dimostrato che la curvatura della superficie migliora la retrazione della goccia impattata. Hanno determinato che ciò era dovuto alla differenza di dissipazione di energia indotta dalla curvatura della superficie. Questa dissipazione è ciò che fa aumentare la temperatura delle gocce durante l'impatto.

In genere, i parametri di impatto hanno mostrato di influenzare significativamente l'angolo di contatto dinamico durante l'impatto. Una stima quantitativa dell'energia di deformazione ha mostrato che questa energia cade ben al di sotto della dissipazione viscosa.

Dei tre parametri di impatto studiati, è stato dimostrato che il numero di Weber crea il massimo effetto sull'angolo di contatto dinamico. In tutte le situazioni studiate, è stato osservato un aumento del numero di impatto Weber per ridurre sistematicamente l'angolo di contatto dinamico, indipendentemente dagli altri valori dei parametri di impatto. Infatti, il team di Liverpool ha scoperto che l'effetto del rapporto tra diametro e modulo elastico sulla diffusione è limitato.

L'utilizzo di un semplice approccio di conservazione dell'energia per tenere conto della dissipazione di energia tramite deformazione del substrato spiega solo una piccola parte dei risultati sperimentali. Il gruppo ha stabilito che questo approccio non era sufficiente per spiegare, nello specifico, la massima lunghezza di spargimento. Questo, e altri fattori, provoca nuove domande sull'impatto della caduta su superfici morbide convesse; però, il processo è a buon punto grazie a questi scienziati.

"C'è una sorta di nuova area che può essere esplorata, questo è il primo lavoro che parla di impatti sulle sfere morbide. Si spera che questo incoraggerà altri a studiarli in modo più dettagliato, sia sperimentalmente che numericamente, " disse Bertola.