Quando stai friggendo qualcosa in una padella e alcune gocce d'acqua cadono nella padella, potresti aver notato quelle goccioline che sfrecciano sopra la pellicola di olio caldo. Ora, quel fenomeno apparentemente banale è stato analizzato e compreso per la prima volta dai ricercatori del MIT e potrebbe avere importanti implicazioni per i dispositivi microfluidici, sistemi di trasferimento di calore, e altre utili funzioni.

Una goccia di acqua bollente su una superficie calda a volte levita su una sottile pellicola di vapore, un fenomeno ben studiato chiamato effetto Leidenfrost. Perché è sospeso su un cuscino di vapore, la goccia può muoversi sulla superficie con poco attrito. Se la superficie è ricoperta di olio caldo, che ha un attrito molto maggiore della pellicola di vapore sotto una goccia di Leidenfrost, ci si dovrebbe aspettare che la goccia calda si muova molto più lentamente. Ma, controintuitivamente, la serie di esperimenti al MIT ha mostrato che si verifica l'effetto opposto:la goccia sull'olio si allontana molto più rapidamente che sul metallo nudo.

Questo effetto, che spinge le goccioline su una superficie oleosa riscaldata da 10 a 100 volte più velocemente rispetto al metallo nudo, potrebbe essere potenzialmente utilizzato per sistemi autopulenti o antigelo, o per spingere minuscole quantità di liquido attraverso i minuscoli tubi dei dispositivi microfluidici utilizzati per la ricerca e i test biomedici e chimici. I risultati sono descritti oggi in un articolo sulla rivista Lettere di revisione fisica , scritto dallo studente laureato Victor Julio Leon e dal professore di ingegneria meccanica Kripa Varanasi.

In precedenti ricerche, Varanasi e il suo team hanno dimostrato che sarebbe possibile sfruttare questo fenomeno per alcune di queste potenziali applicazioni, ma il nuovo lavoro, producendo velocità così elevate (circa 50 volte più veloci), potrebbe aprire ancora più nuovi usi, dice Varanasi.

Dopo lunghe e scrupolose analisi, Leon e Varanasi sono stati in grado di determinare il motivo della rapida espulsione di queste goccioline dalla superficie calda. Nelle giuste condizioni di alta temperatura, viscosità dell'olio, e spessore dell'olio, l'olio formerà una specie di sottile manto che ricopre l'esterno di ogni goccia d'acqua. Mentre la goccia si riscalda, minuscole bolle di vapore si formano lungo l'interfaccia tra la gocciolina e l'olio. Poiché queste minuscole bolle si accumulano casualmente lungo la base della gocciolina, si sviluppano asimmetrie, e l'attrito ridotto sotto la bolla allenta l'attaccamento della gocciolina alla superficie e la spinge via.

La pellicola oleosa agisce quasi come la gomma di un palloncino, e quando le minuscole bolle di vapore esplodono, impartiscono una forza e "il pallone vola via perché l'aria sta uscendo da un lato, creando un trasferimento di slancio, "Dice Varanasi. Senza il mantello d'olio, le bolle di vapore uscirebbero dalla gocciolina in tutte le direzioni, impedendo l'autopropulsione, ma l'effetto di occultamento li trattiene come la pelle del pallone.

Il fenomeno sembra semplice, ma risulta dipendere da una complessa interazione tra eventi che accadono in tempi diversi.

Questo fenomeno di autoespulsione appena analizzato dipende da una serie di fattori, compresa la dimensione delle gocce, lo spessore e la viscosità del film d'olio, la conducibilità termica della superficie, la tensione superficiale dei diversi liquidi nel sistema, il tipo di olio, e la consistenza della superficie.

Nei loro esperimenti, la viscosità più bassa dei diversi oli testati era circa 100 volte più viscosa dell'aria circostante. Così, ci si sarebbe aspettato che le bolle si muovessero molto più lentamente che sul cuscino d'aria dell'effetto Leidenfrost. "Questo dà un'idea di quanto sia sorprendente che questa goccia si muova più velocemente, "dice Leone.

Quando inizia l'ebollizione, le bolle si formeranno casualmente da qualche sito di nucleazione che non è proprio al centro. La formazione di bolle aumenterà da quel lato, che porta alla propulsione in una direzione. Finora, i ricercatori non sono stati in grado di controllare la direzione di quella propulsione indotta casualmente, ma ora stanno lavorando su alcuni possibili modi per controllare la direzionalità in futuro. "Abbiamo idee su come attivare la propulsione in direzioni controllate, "dice Leone.

Sorprendentemente, i test hanno mostrato che anche se il film d'olio della superficie, che era un wafer di silicio, era spesso solo da 10 a 100 micron, circa lo spessore di un capello umano, il suo comportamento non corrispondeva alle equazioni per un film sottile. Anziché, a causa della vaporizzazione del film, si stava effettivamente comportando come una pozza d'olio infinitamente profonda. "Siamo rimasti un po' sbalorditi" da quella scoperta, dice Leone. Mentre un film sottile avrebbe dovuto farlo aderire, la piscina virtualmente infinita ha dato alla goccia un attrito molto più basso, permettendogli di muoversi più rapidamente del previsto, dice Leone.

L'effetto dipende dal fatto che la formazione delle bollicine è un processo molto più rapido del trasferimento di calore attraverso il velo d'olio, circa mille volte più veloce, lasciando molto tempo per l'accumulo delle asimmetrie all'interno della goccia. Quando le bolle di vapore si formano inizialmente all'interfaccia olio-acqua, sono molto più isolanti del liquido della gocciolina, portando a notevoli disturbi termici nel film d'olio. Questi disturbi fanno vibrare la goccia, riducendo l'attrito e aumentando la velocità di vaporizzazione.

Ci è voluta una fotografia ad altissima velocità per rivelare i dettagli di questo rapido effetto, Leone dice, usando un 100, 000 fotogrammi al secondo videocamera. "Puoi effettivamente vedere le fluttuazioni sulla superficie, "dice Leone.

Inizialmente, Varanasi dice, "eravamo perplessi a più livelli su quello che stava succedendo, perché l'effetto era così inaspettato. … È una risposta abbastanza complessa a ciò che può sembrare semplice, ma crea davvero questa propulsione veloce."

In pratica, l'effetto significa che in determinate situazioni, un semplice riscaldamento di una superficie, nella giusta quantità e con il giusto tipo di rivestimento oleoso, potrebbe causare la rimozione di gocce di calcare corrosive da una superficie. Più in basso sulla linea, una volta che i ricercatori hanno più controllo sulla direzionalità, il sistema potrebbe potenzialmente sostituire alcune pompe ad alta tecnologia in dispositivi microfluidici per spingere le goccioline attraverso i tubi giusti al momento giusto. Questo potrebbe essere particolarmente utile in situazioni di microgravità, dove le normali pompe non funzionano come al solito.

Potrebbe anche essere possibile collegare un carico utile alle goccioline, creando una sorta di sistema di consegna robotica su microscala, dice Varanasi. E mentre i loro test si concentravano sulle goccioline d'acqua, potenzialmente potrebbe applicarsi a molti diversi tipi di liquidi e solidi sublimatori, lui dice.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.