Benvenuti nel fantastico mondo dei substrati morbidi. Questi materiali sono fatti di gel di silicone e hanno la stessa consistenza della panna cotta, ma senza il delizioso sapore. Sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, soprattutto nel settore farmaceutico, perché le loro proprietà biocompatibili e antiaderenti li rendono resistenti alla corrosione e alla contaminazione batterica. Questi substrati sono così morbidi che possono essere deformati (reversibilmente) dalle forze capillari che si verificano ai bordi delle goccioline quando vengono posizionate sulle loro superfici. Però, le goccioline si muovono molto lentamente su queste superfici; per fluire, le goccioline devono deformare dinamicamente i supporti e vincere la resistenza creata dalle proprietà viscoelastiche del supporto. Una goccia di dimensioni millimetriche posta su un substrato posizionato verticalmente scorrerà a una velocità compresa tra poche centinaia di nanometri al secondo e poche decine di micrometri al secondo. In altre parole, la goccia impiegherebbe tre ore per spostarsi di un solo metro! Questo effetto di rallentamento è noto come frenatura viscoelastica ed è un grosso ostacolo all'uso più diffuso di substrati morbidi, soprattutto nella produzione.

Un team di scienziati del laboratorio Engineering Mechanics of Soft Interfaces (EMSI) dell'EPFL, all'interno della Facoltà di Ingegneria, ha dimostrato che la frenatura viscoelastica può essere superata posizionando minuscoli pilastri sulla superficie del substrato. Più fondamentalmente, gli scienziati hanno potuto osservare, per la prima volta, il contatto tra un fluido e un substrato morbido in una geometria complessa. I loro risultati sono stati appena pubblicati in PNAS .

Una nuova geometria

Gli scienziati dell'EPFL hanno utilizzato un metodo già ampiamente utilizzato nei processi di bagnatura:alterare la struttura superficiale di un substrato in modo che diventi superidrofobo. Più specificamente, coprivano una superficie di gel con minuscoli pilastri alti 100 µm e larghi 100 µm, in modo che le goccioline poste sul gel giacciano solo sulla sommità dei pilastri, proprio come un temerario che cammina su un letto di chiodi. Osservando le goccioline attraverso un microscopio confocale, gli scienziati hanno visto che i pilastri si deformano mentre le goccioline si muovono lungo di essi. Cosa c'è di più, la dimensione della deformazione solida era quasi la stessa di quella ottenuta su una superficie piana di gel, il che significa che le goccioline sono in effetti sostenute da centinaia di minuscoli pilastri. E anche se le dimensioni della deformazione erano così vicine, le goccioline si muovevano alla stessa velocità con cui si muoverebbero su una superficie dura.

"Queste trame alterate 'uccidono' l'effetto frenante viscoelastico, anche se c'è un'area di contatto abbastanza grande tra il fluido e il solido, "dice Martin Coux, uno degli autori dello studio, insieme al Prof. John Kolinski. "A causa della geometria unica dei punti di contatto tra il fluido e il solido, sollevato leggermente al di sopra della superficie del supporto, le gocce adottano configurazioni che normalmente non sarebbero in grado di fare su una superficie morbida. Ciò consente loro di fluire lungo il substrato con la stessa velocità con cui farebbero su una superficie dura." Utilizzando il microscopio ad alta velocità dell'EMSI, gli scienziati sono stati in grado di osservare e comprendere questo fenomeno precedentemente sconosciuto della fisica fondamentale.

È bene precisare che tutto ciò avviene su scala micrometrica (le deformazioni solide sono dell'ordine di 1–100 µm). "Grazie ai progressi compiuti nella tecnologia di visualizzazione negli ultimi dieci anni, gli scienziati ora possono vedere le deformazioni che si verificano quando i fluidi entrano in contatto con substrati morbidi, e non solo staticamente (come quando le goccioline sono ferme), ma anche dinamicamente, come quando le goccioline scorrono sulla superficie, " dice Coux. Questa nuova capacità ha dato una spinta ai fisici specializzati in meccanica dei fluidi, accelerato la loro comprensione delle interazioni elastocapillari tra substrati morbidi e fluidi, e mettono gli scienziati dell'EPFL sulla strada della loro scoperta rivoluzionaria.