Un nuovo modo per controllare come i liquidi si asciugano sulle superfici che potrebbe portare benefici a una vasta gamma di industrie, è stato scoperto da ricercatori della Northumbria University e della Open University.

I risultati del gruppo di ricerca sono stati pubblicati oggi, mercoledì 11 aprile, dal giornale Comunicazioni sulla natura .

Le filigrane rimangono quando una goccia si asciuga su una superficie solida, Per esempio, quando le gocce di pioggia si asciugano sulla superficie di un'auto, o quando l'acqua si asciuga su un bicchiere di vino dopo aver lavato i piatti.

Il modo in cui le filigrane appaiono su una superficie è incontrollabile perché la forma e la posizione di una goccia mentre evapora sono imprevedibili. Ciò pone limiti a molte applicazioni, come la stampa a getto d'inchiostro, dove una goccia d'inchiostro può lasciare una forma distorta sulla carta, e microingegneria, dove le filigrane possono rovinare le prestazioni di delicate microstrutture.

Però, i ricercatori dello Smart Materials and Surfaces Laboratory della Northumbria University, e la Scuola di Matematica e Statistica dell'Open University, hanno trovato per la prima volta un nuovo modo per controllare la forma e la posizione delle goccioline essiccate, nota come "evaporazione a scatto".

Quando una goccia evapora su una superficie solida, il suo bordo 'sbircia' e 'depins' in modo incontrollato. Questo effetto si verifica a causa della microscopica rugosità della nuda superficie solida. Però, i ricercatori sono stati in grado di controllare il modo in cui le goccioline si asciugavano, attraverso una combinazione di geometria solida ondulata e un trattamento superficiale ultra-liscio.

Le loro scoperte potrebbero avere un impatto su molte applicazioni quotidiane, ad esempio l'industria automobilistica potrebbe trattare le superfici delle auto in modo diverso per ridurre al minimo le filigrane, e l'industria degli smartphone e dei computer potrebbe migliorare l'efficienza dei micro-heatpipe, che rimuovono il calore dai microprocessori.

Dottor Gary Wells, Docente senior presso la Northumbria University, ha dichiarato:“Una scatola per le uova è un esempio di solido ondulato:ha picchi e valli ripetuti che formano un motivo ondulato. Abbiamo stampato in 3D un motivo così ondulato e coperto la sua superficie ruvida con un sottile strato di lubrificante. La superficie composita risultante mantiene la forma ondulata, ma diventa 'ultra-liscia'.

"Quando abbiamo lasciato evaporare le gocce d'acqua su queste superfici ondulate, inizialmente si ritraevano dal solido in modo dolce, come ci si aspetterebbe da un solido perfettamente liscio. Però, la superficie ondulata fa "scattare" le goccioline in punti specifici, cambiando posizione e forma. Questa è una nuova modalità di evaporazione, che abbiamo chiamato 'snap evaporation'.

"Sorprendentemente, questo processo è altamente riproducibile, e abbiamo scoperto che il design effettivo del motivo ondulato può controllare la posizione e la forma della goccia".

La ragione del comportamento a scatto risiede nella teoria della biforcazione, una branca della matematica che studia come un sistema, in questo caso la gocciolina, risponde a un cambiamento in un parametro di controllo, in questo caso una riduzione di massa dovuta all'evaporazione.

Dottor Marc Pradas, Docente presso l'Università Aperta, ha spiegato:"L'idea principale alla base della nostra teoria è che la configurazione che una gocciolina assume su un modello solido ondulato non è unica. Ci sono diverse forme e posizioni che la stessa quantità di liquido può occupare su un dato modello ondulato.

"Durante l'evaporazione, la massa di una goccia cambia, e si scopre che quella che era una forma e una posizione di goccia stabili diventa instabile. A questo punto, che è nota come biforcazione, la goccia deve cambiare forma e posizione. La superficie ondulata funge da volante, guidando la goccia alla successiva configurazione stabile dopo che si è verificato uno snap."

Dott. Rodrigo Ledesma-Aguilar, Professore Associato presso la Northumbria University, ha aggiunto:"Le implicazioni del nostro studio possono avere un impatto in molte applicazioni quotidiane, e stiamo attualmente lavorando con partner industriali che possono beneficiare della nostra ricerca.

"Per esempio, stiamo lavorando con Jaguar Land Rover per sviluppare nuove strategie che riducano al minimo le filigrane sulle superfici delle auto. Un altro esempio è la nostra collaborazione con Sustainable Energy Systems, che possono beneficiare dei nostri risultati migliorando l'efficienza dei sistemi di rimozione del calore utilizzati nei microprocessori come CPU e GPU."

I risultati completi della ricerca possono essere trovati nel documento Snap evaporation of droplets on smooth topografie pubblicato in Comunicazioni sulla natura .