Il movimento delle goccioline sulle superfici è influenzato anche dalle forze elettrostatiche, come hanno scoperto i ricercatori. Credito:Rüdiger Berger / MPI-P
Qualcosa di semplice come il movimento delle gocce d'acqua sulle superfici dovrebbe essere compreso, verrebbe da pensare. Infatti ci sono ancora numerose domande senza risposta sulle forze che agiscono su una goccia scorrevole. Un team di ricercatori del Max Planck Institute for Polymer Research, in collaborazione con i colleghi della TU Darmstadt, ha scoperto:oltre all'energia superficiale e all'attrito viscoso all'interno della gocciolina, anche l'elettrostatica gioca un ruolo significativo. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Nature Physics .
Le gocce di pioggia colpiscono il finestrino dell'auto e il vento spinge le gocce di lato. Ancora oggi nessuno è stato in grado di prevedere con precisione come si muovono le gocce sul parabrezza. Tuttavia, tale comprensione è importante in numerosi settori, come la guida autonoma:ad esempio, le telecamere installate sul parabrezza dovrebbero tenere d'occhio la strada e la situazione del traffico; per questo, la superficie del parabrezza deve essere progettata in tale in modo che le gocce vengano completamente spazzate via dal flusso d'aria e la vista rimanga chiara anche sotto la pioggia. Altri esempi con il segno opposto sono le applicazioni in cui le gocce devono aderire alle superfici, come vernici spray o pesticidi.
"Finora si presumeva che il rivestimento superficiale fosse responsabile del modo in cui la goccia si muove su una superficie, ovvero i primi strati molecolari", afferma il Prof. Hans-Jürgen Butt, direttore della "Fisica delle interfacce" dipartimento del Max Planck Institute for Polymer Research. Ad esempio, dipende dalla superficie se si forma una gocciolina sferica o piatta. Se alla goccia piace la superficie, si preme su di essa per creare il maggior contatto possibile. Se non gli piace la superficie, come nel caso del noto effetto loto, si arriccia. Era anche chiaro che quando una gocciolina si muove, l'attrito viscoso, ad es. l'attrito tra le singole molecole d'acqua si verifica all'interno della goccia, che influenza anche il suo movimento.
L'elettrostatica causa differenze di velocità
Il team di ricercatori dell'MPI for Polymer Research ha scoperto che né le forze capillari né quelle viscoelastiche possono spiegare le differenze nella velocità con cui le goccioline si muovono su superfici diverse. Sono state sollevate domande in particolare dal fatto che le goccioline scorrono a velocità diverse su substrati diversi, anche se questi substrati hanno un rivestimento superficiale identico, dove non ci sarebbero differenze. I ricercatori hanno quindi introdotto per la prima volta una misteriosa "forza extra". Per rintracciarlo, Xiaomei Li, un dottorato di ricerca. studente del dipartimento di Hans-Jürgen Butt, ha organizzato una gara di lancio. "Ho filmato le gocce su diversi substrati, estratto i profili di velocità e accelerazione dal loro movimento, calcolato le forze già note per calcolare la forza che non avevamo ancora esaminato", spiega.
Il risultato sorprendente:la forza calcolata concorda con una forza elettrostatica che i ricercatori hanno descritto per la prima volta in un modello alcuni anni fa. "Confrontando i risultati sperimentali con questo modello numerico, possiamo spiegare le traiettorie delle goccioline precedentemente confuse", afferma Jun.-Prof. Stefan Weber, un capogruppo nel dipartimento di Butt.
Se le goccioline precedentemente neutre scivolano su un isolante, possono caricarsi elettricamente:quindi l'elettrostatica gioca un ruolo significativo lì. Su un substrato elettricamente conduttivo, invece, la gocciolina rilascia immediatamente la sua carica al substrato. "La forza elettrostatica, che nessuno aveva precedentemente considerato, ha quindi un'influenza importante:deve essere presa in considerazione per l'acqua, gli elettroliti acquosi e il glicole etilenico su tutte le superfici idrofobiche testate", riassume Weber. Il team di ricerca ha ora pubblicato i risultati sulla rivista Nature Physics . Questi risultati miglioreranno il controllo del movimento delle goccioline in molte applicazioni che vanno dalla stampa alla microfluidica o dalla gestione dell'acqua alla generazione di energia tramite minigeneratori basati su goccioline. + Esplora ulteriormente
