Quando le gocce di congelamento colpiscono una superficie, generalmente si attaccano o rimbalzano via. Il controllo di questa risposta è fondamentale per molte applicazioni, compresa la stampa 3D, la spruzzatura di alcuni rivestimenti superficiali, e la prevenzione della formazione di ghiaccio su strutture come le ali degli aeroplani, turbine eoliche, o linee elettriche.

Ora, I ricercatori del MIT hanno scoperto una nuova sorprendente svolta nella meccanica coinvolta quando le goccioline entrano in contatto con le superfici. Sebbene la maggior parte della ricerca si sia concentrata sulle proprietà idrofobiche di tali superfici, si scopre che anche le loro proprietà termiche sono di importanza cruciale e forniscono un'opportunità inaspettata per "regolare" quelle superfici per soddisfare le esigenze esatte di una determinata applicazione. I nuovi risultati sono presentati oggi sulla rivista Fisica della natura , in una relazione del professore associato di ingegneria meccanica del MIT Kripa Varanasi, l'ex postdoc Jolet de Ruiter, e postdoc Dan Soto.

"Abbiamo trovato qualcosa di molto interessante, " spiega Varanasi. Il suo team stava studiando le proprietà di un liquido, in questo caso, gocce di metallo fuso che si congelano su una superficie. "Avevamo due substrati che avevano proprietà di bagnatura simili [la tendenza a espandersi o a formare delle perline su una superficie] ma proprietà termiche diverse". Secondo il pensiero convenzionale, il modo in cui le goccioline agivano sulle due superfici avrebbe dovuto essere simile, ma invece si è rivelato essere drammaticamente diverso.

Sul silicio, che conduce molto bene il calore, come la maggior parte dei metalli, "il metallo fuso è appena caduto, "Dice Varanasi. Ma sul vetro, che è un buon isolante termico, "le gocce di metallo si attaccavano ed erano difficili da rimuovere."

La scoperta ha mostrato che "possiamo controllare l'adesione di una goccia che si congela su una superficie controllando le proprietà termiche" di quella superficie, lui dice. "È un approccio completamente nuovo" per determinare come i liquidi interagiscono con le superfici, Aggiunge. "Ci fornisce nuovi strumenti per controllare l'esito di tali interazioni liquido-solido".

Per spiegare la differenza di conduttività termica di diversi materiali, Varanasi fa l'esempio di due superfici pavimentali, uno di pietra, un altro di legno. Anche se entrambi sono esattamente alla stessa temperatura, se cammini a piedi nudi sul legno, sembrerà più caldo della pietra. Questo perché la pietra ha una maggiore effusività termica (la velocità con cui un materiale può scambiare calore) rispetto al legno, così allontana più rapidamente il calore dai piedi, facendolo sentire più freddo.

Gli esperimenti nello studio sono stati condotti con metallo fuso, che è importante in alcuni processi industriali come i rivestimenti a spruzzo termico che vengono applicati alle pale delle turbine e ad altre parti della macchina. Per questi processi, la qualità e l'uniformità dei rivestimenti possono dipendere da quanto bene ogni piccola goccia aderisce alla superficie durante la deposizione. I risultati probabilmente si applicano anche a tutti i tipi di liquidi, compresa l'acqua, dice Varanasi.

Quando si verniciano le superfici, "il modo in cui le goccioline impattano e formano schizzi determina l'integrità del rivestimento stesso. Se non è perfetto, può avere un enorme impatto sulle prestazioni della parte, come la pala di una turbina, " Varanasi dice. "I nostri risultati forniranno una comprensione completamente nuova di quando le cose si attaccano e quando non lo fanno".

Le nuove intuizioni potrebbero essere utili sia quando è desiderabile che le goccioline si attacchino alle superfici, come in alcuni tipi di stampanti 3D, per assicurarsi che ogni strato stampato aderisca perfettamente allo strato precedente, e quando è importante evitare che le goccioline si attacchino, come sulle ali degli aeroplani in caso di gelo. La ricerca potrebbe anche essere utile per la pulizia e la gestione dei rifiuti dei processi di produzione additiva e spray termico.

Soto dice che la scoperta è avvenuta quando il team stava studiando il meccanismo di congelamento locale all'interfaccia tra il liquido e il substrato, utilizzando una termocamera ad alta velocità che ha rivelato effetti rapidi durante il processo di raffreddamento che sarebbe stato impossibile vedere su tempi più lunghi. Le immagini hanno mostrato un progressivo sviluppo di frange attorno ai bordi esterni delle goccioline. "Ci siamo poi resi conto che la gocciolina si stava inaspettatamente arricciando e staccandosi dalla superficie mentre si congelava, " dice. Hanno descritto questo fenomeno come "auto-peeling" delle goccioline.

"Gli ingredienti principali di questo fenomeno, "dice Ruiter, "sono l'interazione tra fluidodinamica a breve termine, che fissano l'adesione, ed effetti termici su tempi più lunghi, che portano alla deformazione globale." Il team ha sviluppato una mappa di progettazione che cattura diversi possibili risultati (attaccamento, autopulente, o rimbalzo) in termini di proprietà termiche chiave:effusività di caduta e del substrato, e temperature.

Poiché il grado in cui le goccioline si attaccano o meno dipende dalle proprietà termiche di un materiale, è possibile personalizzare tali proprietà in base all'applicazione, Soto dice. "Possiamo immaginare scenari in cui le proprietà termiche possono essere regolate in tempo reale attraverso campi elettrici o magnetici, consentendo la regolazione della viscosità della superficie rispetto alle gocce d'urto."

L'esito dell'adesione può essere controllato anche semplicemente modificando le temperature relative delle gocce e della superficie, la squadra ha trovato. In molti casi, questi cambiamenti sono controintuitivi:ad esempio, mentre ci si potrebbe aspettare che l'unico modo per prevenire l'adesione di goccioline gelate sia riscaldare un substrato, la squadra ha trovato un nuovo regime, dove anche il raffreddamento della superficie può portare allo stesso risultato.