Ispirato da una specie di foglia d'albero, gli scienziati della City University di Hong Kong (CityU) hanno scoperto che la direzione di diffusione di diversi liquidi depositati sulla stessa superficie può essere guidata, risolvendo una sfida che è rimasta per oltre due secoli. Questa svolta potrebbe innescare una nuova ondata di utilizzo di strutture superficiali 3D per la manipolazione intelligente dei liquidi con profonde implicazioni per varie applicazioni scientifiche e industriali, come la progettazione della fluidica e il miglioramento del trasferimento di calore.

Guidati dal professor Wang Zuankai, professore di cattedra nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica (MNE) di CityU, il team di ricerca ha scoperto che l'inaspettato comportamento di trasporto del liquido della foglia di Araucaria fornisce un prototipo entusiasmante per lo sterzo direzionale del liquido, spingendo le frontiere del trasporto di liquidi. I loro risultati sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica Scienza sotto il titolo "Sterzo direzionale liquido indotto da cricchetto capillare tridimensionale".

Araucaria è una specie di albero popolare nel design del giardino. La sua foglia è costituita da cricchetti disposti periodicamente inclinati verso la punta della foglia. Ogni cricchetto ha una punta, con curvatura sia trasversale che longitudinale sulla sua superficie superiore e relativamente piatta, superficie inferiore liscia. Quando uno dei membri del gruppo di ricerca, Dottor Feng Shile, visitato un parco a tema a Hong Kong con alberi di Araucaria, la particolare struttura superficiale della foglia attirò la sua attenzione.

La speciale struttura a foglia consente al liquido di diffondersi in diverse direzioni

"La comprensione convenzionale è che un liquido depositato su una superficie tende a muoversi in direzioni che riducono l'energia superficiale. La sua direzione di trasporto è determinata principalmente dalla struttura superficiale e non ha nulla a che fare con le proprietà del liquido, come la tensione superficiale, " ha affermato il professor Wang. Ma il team di ricerca ha scoperto che i liquidi con diverse tensioni superficiali mostrano direzioni di diffusione opposte sulla foglia di Araucaria, in netto contrasto con la comprensione convenzionale.

Imitando la sua struttura naturale, il team ha progettato una superficie ispirata alle foglie di Araucaria (ALIS), con cricchetti 3D di dimensioni millimetriche che consentono ai liquidi di essere espulsi (cioè spostati per capillarità) sia dentro che fuori dal piano della superficie. Hanno replicato le proprietà fisiche della foglia con la stampa 3D di polimeri. Hanno scoperto che le strutture e le dimensioni dei cricchetti, soprattutto la struttura rientrante sulla punta dei cricchetti, la distanza tra le punte dei cricchetti, e l'angolo di inclinazione dei cricchetti, sono fondamentali per lo sterzo direzionale liquido.

Per liquidi con alta tensione superficiale, Come l'acqua, il team di ricerca ha scoperto che una frontiera del liquido è "incastrata" sulla punta del cricchetto 3D. Poiché la distanza tra le punte del cricchetto è paragonabile alla lunghezza del capillare (millimetro) del liquido, il liquido può tornare indietro contro il senso di ribaltamento del cricchetto. In contrasto, per liquidi a bassa tensione superficiale, come l'etanolo, la tensione superficiale funge da forza motrice e consente al liquido di avanzare lungo la direzione di inclinazione del cricchetto.

Prima osservazione del flusso direzionale di "selezione" del liquido

"Per la prima volta, abbiamo dimostrato il trasporto direzionale di liquidi diversi sulla stessa superficie, affrontare con successo un problema nel campo della scienza delle superfici e delle interfacce che esiste dal 1804, " ha affermato il professor Wang. "Il design razionale dei nuovi cricchetti capillari consente al liquido di 'decidere' la sua direzione di diffusione in base all'interazione tra la sua tensione superficiale e la struttura superficiale. È stato come un miracolo osservare i diversi flussi direzionali dei vari liquidi. Questa è stata la prima osservazione registrata nel mondo scientifico".

Ancora più interessante, i loro esperimenti hanno mostrato che una miscela di acqua ed etanolo può fluire in direzioni diverse sull'ALIS, a seconda della concentrazione di etanolo. Una miscela con meno del 10% di etanolo propagata all'indietro contro la direzione di inclinazione del cricchetto, mentre una miscela con più del 40% di etanolo si è propagata verso la direzione di ribaltamento del cricchetto. Miscele dal 10% al 40% di etanolo si muovevano contemporaneamente in modo bidirezionale.

"Regolando la proporzione di acqua ed etanolo nella miscela, possiamo cambiare la tensione superficiale della miscela, permettendoci di manipolare la direzione del flusso del liquido, " ha detto il dottor Zhu Pingan, Assistant Professor presso la MNE di CityU, un coautore del documento.

Controllo della direzione di spargimento regolando la tensione superficiale

Il team ha anche scoperto che i cricchetti capillari 3D possono promuovere o inibire il trasporto di liquidi a seconda della direzione di inclinazione dei cricchetti. Quando l'ALIS con i cricchetti inclinati verso l'alto è stato inserito in un piatto con etanolo, la risalita capillare dell'etanolo era maggiore e più veloce di quella di una superficie con cricchetti simmetrici (cricchetti perpendicolari alla superficie). Quando si inserisce l'ALIS con i cricchetti inclinati verso il basso, l'aumento capillare era più basso.

I loro risultati forniscono una strategia efficace per la guida intelligente del trasporto di liquidi verso la destinazione di destinazione, aprendo una nuova strada per il trasporto di liquidi indotto dalla struttura e le applicazioni emergenti, come la progettazione microfluidica, miglioramento del trasferimento di calore e selezione intelligente dei liquidi.

"Il nostro nuovo sterzo direzionale a liquido presenta molti vantaggi, come ben controllato, rapido, trasporto a lunga percorrenza con propulsione autonoma. E l'ALIS può essere facilmente fabbricato senza complicate micro/nanostrutture, " ha concluso il professor Wang.