Immagina di poter bere un bicchiere d'acqua semplicemente inserendo un filo solido e succhiandolo come se fosse una cannuccia di soda. Si scopre che se tu fossi abbastanza piccolo, quel metodo funzionerebbe perfettamente e non richiederebbe nemmeno l'avvio dell'aspirazione.

Una nuova ricerca condotta al MIT e altrove ha dimostrato per la prima volta che quando viene inserita in una pozza di liquido, i nanofili, fili che sono solo centinaia di nanometri (miliardesimi di metro) di diametro, attirano naturalmente il liquido verso l'alto in una pellicola sottile che ricopre la superficie del filo. La scoperta potrebbe avere applicazioni in dispositivi microfluidici, ricerca biomedica e stampanti a getto d'inchiostro.

Il fenomeno era stato previsto dai teorici, ma mai osservato perché il processo è troppo piccolo per essere visto dai microscopi ottici; i microscopi elettronici devono funzionare nel vuoto, che farebbe evaporare la maggior parte dei liquidi quasi istantaneamente. Per superare questo, il team del MIT ha utilizzato un liquido ionico chiamato DMPI-TFSI, che rimane stabile anche in un potente vuoto. Sebbene le osservazioni abbiano utilizzato questo liquido specifico, si ritiene che i risultati si applichino alla maggior parte dei liquidi, compresa l'acqua.

I risultati sono pubblicati sulla rivista Nanotecnologia della natura da un team di ricercatori guidati da Ju Li, un professore del MIT di scienza e ingegneria nucleare e scienza e ingegneria dei materiali, insieme ai ricercatori dei Sandia National Laboratories nel New Mexico, l'Università della Pennsylvania, l'Università di Pittsburgh, e l'Università di Zhejiang in Cina.

Mentre Li afferma che questa ricerca intendeva esplorare la scienza di base delle interazioni liquido-solido, potrebbe portare ad applicazioni nella stampa a getto d'inchiostro, o per fare un laboratorio su un chip. "Stiamo davvero osservando il flusso del fluido su una scala di lunghezza ridotta senza precedenti, " Li dice, così nuovi fenomeni inaspettati potrebbero emergere mentre la ricerca continua.

A scala molecolare, Li dice, "il liquido cerca di coprire la superficie solida, e viene risucchiato dall'azione capillare." Alle scale più piccole, quando il liquido forma una pellicola di spessore inferiore a 10 nanometri, si muove come uno strato liscio (chiamato "film precursore"); man mano che il film diventa più spesso, si instaura un'instabilità (chiamata instabilità di Rayleigh), provocando la formazione di goccioline, ma le goccioline rimangono collegate tramite il film precursore. In alcuni casi, queste goccioline continuano a risalire il nanofilo, mentre in altri casi le goccioline appaiono stazionarie anche se il liquido al loro interno scorre verso l'alto.

La differenza tra il film precursore liscio e le perline, Li dice, è che nel film più sottile, ogni molecola di liquido è abbastanza vicina da interagire direttamente, attraverso effetti quantomeccanici, con le molecole del solido sepolte sotto di essa; questa forza sopprime l'instabilità di Rayleigh che altrimenti causerebbe la formazione di perline. Ma con o senza perline, il flusso ascendente del liquido, sfidando la forza di gravità, è un processo continuo che potrebbe essere sfruttato per il trasporto di liquidi su piccola scala.

Sebbene questa trazione verso l'alto sia sempre presente con fili su questa scala minuscola, l'effetto può essere ulteriormente potenziato in vari modi:aggiungendo una tensione elettrica sul filo si aumenta la forza, così come un leggero cambiamento nel profilo del filo in modo che si assottiglia verso un'estremità. I ricercatori hanno utilizzato nanofili realizzati con materiali diversi:silicio, ossido di zinco e ossido di stagno, così come il grafene bidimensionale, per dimostrare che questo processo si applica a molti materiali diversi.

I nanofili sono meno di un decimo del diametro dei dispositivi fluidici ora utilizzati nella ricerca biologica e medica, come micropipette, e un millesimo del diametro degli aghi ipodermici. A queste piccole scale, i ricercatori hanno scoperto, un nanofilo solido è altrettanto efficace nel trattenere e trasferire liquidi quanto un tubo cavo. Questa scala più piccola potrebbe aprire la strada a nuovi tipi di sistemi microelettromeccanici per condurre ricerche sui materiali a livello molecolare.

La metodologia sviluppata dai ricercatori consente loro di studiare le interazioni tra solidi e flusso di liquidi "alla scala quasi più piccola si potrebbe definire un volume di fluido, che è da 5 a 10 nanometri di diametro, " Dice Li. Il team ora prevede di esaminare il comportamento di diversi liquidi, utilizzando un "sandwich" di membrane solide trasparenti per racchiudere un liquido, come l'acqua, per l'esame al microscopio elettronico a trasmissione. Ciò consentirà "studi più sistematici delle interazioni solido-liquido, " Li dice:interazioni che sono rilevanti per la corrosione, elettrodeposizione e funzionamento delle batterie.

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.