L'acqua viene versata in una tazza all'incirca alla stessa velocità, indipendentemente dal fatto che la bottiglia d'acqua sia di vetro o di plastica.

Ma su scale nanometriche per l'acqua e potenzialmente altri fluidi, se il contenitore è di vetro o di plastica fa una differenza significativa. Un nuovo studio mostra che nei canali nanoscopici, la viscosità effettiva dell'acqua nei canali in vetro può essere doppia rispetto all'acqua nei canali in plastica. I canali in vetro nanoscopico possono far fluire l'acqua più simile al ketchup rispetto alla normale H2O.

L'effetto delle proprietà dei contenitori sui fluidi che contengono offre un altro esempio di fenomeni sorprendenti su scala nanometrica. E fornisce anche un nuovo fattore che i progettisti di piccoli sistemi meccanici devono tenere in considerazione.

"Su scala nanometrica, la viscosità non è più costante, quindi questi risultati aiutano a ridefinire la nostra comprensione del flusso di fluidi su questa scala, " disse Elisa Riedo, professore associato presso la School of Physics del Georgia Institute of Technology. "Chiunque esegua un esperimento, lo sviluppo di una tecnologia o il tentativo di comprendere un processo biologico che coinvolge l'acqua o un altro liquido su questa scala dimensionale dovrà ora tenere conto delle proprietà delle superfici".

Questi effetti potrebbero essere importanti per i progettisti di dispositivi come stampanti 3D ad alta risoluzione che utilizzano ugelli su scala nanometrica, sistemi nanofluidici e persino alcuni dispositivi biomedici. Considerando che l'acqua nano-confinata è onnipresente nei corpi degli animali, nelle rocce, e nelle nanotecnologie, questa nuova comprensione potrebbe avere un ampio impatto.

La ricerca sulle proprietà dei liquidi confinati da diversi materiali è stata sponsorizzata dall'Ufficio di scienze di base del Dipartimento dell'energia e dalla National Science Foundation. I risultati dovevano essere riportati il ​​19 settembre sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Le differenze di viscosità create dai materiali del contenitore sono direttamente influenzate dal grado in cui i materiali sono idrofili, il che significa che attraggono l'acqua, o idrofobici, il che significa che la respingono. I ricercatori ritengono che nei materiali idrofili, l'attrazione per l'acqua, una proprietà nota come "bagnabilità", rende le molecole d'acqua più difficili da spostare, contribuendo ad aumentare la viscosità effettiva del fluido. D'altra parte, l'acqua non è così attratta dai materiali idrofobici, rendendo le molecole più facili da spostare e producendo una viscosità inferiore.

In una ricerca riportata sulla rivista, questo comportamento dell'acqua si manifestava solo quando l'acqua era confinata in spazi di pochi nanometri o meno, l'equivalente di pochi strati di molecole d'acqua. La viscosità ha continuato ad aumentare man mano che le superfici venivano avvicinate.

Il team di ricerca ha studiato l'acqua confinata da cinque diverse superfici:mica, ossido di grafene, silicio, carbonio simile al diamante, e grafite. Mica, utilizzato nel settore della perforazione, era il più idrofilo dei materiali, mentre la grafite era la più idrofoba.

"Abbiamo visto una chiara relazione uno a uno tra il grado di idrofilia del materiale di confinamento e la viscosità che abbiamo misurato, " ha detto Riedo.

Sperimentalmente, i ricercatori hanno iniziato preparando superfici atomicamente lisce dei materiali, quindi ponendovi sopra dell'acqua altamente purificata. Prossimo, una punta AFM in silicio è stata spostata attraverso le superfici a diverse altezze fino a quando non è entrata in contatto. La punta, di circa 40 nanometri di diametro, è stata quindi sollevata e le misurazioni sono proseguite.

All'aumentare della viscosità dell'acqua, anche la forza necessaria per muovere la punta dell'AFM è aumentata, facendolo ruotare leggermente sulla trave a sbalzo utilizzata per alzare e abbassare la punta. I cambiamenti in questo angolo di torsione sono stati misurati da un laser rimbalzato sul cantilever riflettente, fornendo un'indicazione delle variazioni della forza esercitata sulla punta, la resistenza viscosa esercitata e quindi la viscosità effettiva dell'acqua.

"Quando la punta dell'AFM si trovava a circa un nanometro dalla superficie, abbiamo iniziato a vedere un aumento della forza viscosa che agisce sulla punta per le superfici idrofile, " ha detto Riedo. "Abbiamo dovuto usare forze maggiori per spostare la punta a questo punto, e più ci avvicinavamo alla superficie, quanto più drammatico diventava".

Queste differenze possono essere spiegate comprendendo come l'acqua si comporta diversamente su superfici diverse.

"Su scala nanometrica, le forze di interazione liquido-superficie diventano importanti, in particolare quando le molecole liquide sono confinate in spazi minuscoli, " ha spiegato Riedo. "Quando le superfici sono idrofile, l'acqua si attacca alla superficie e non vuole muoversi. Su superfici idrofobiche, l'acqua scivola sulle superfici. Con questo studio, non solo abbiamo osservato questa viscosità dipendente dalla bagnatura su scala nanometrica, ma siamo anche stati in grado di spiegare quantitativamente l'origine dei cambiamenti osservati e metterli in relazione con lo slittamento di confine. Questa nuova comprensione è stata in grado di spiegare i precedenti risultati poco chiari della dissipazione di energia durante gli studi AFM dinamici in acqua".

Mentre i ricercatori hanno finora studiato solo l'effetto delle proprietà del materiale nei canali d'acqua, Riedo prevede di eseguire esperimenti simili su altri fluidi, compresi gli oli. Al di là dei semplici fluidi, spera di studiare fluidi complessi composti da nanoparticelle in sospensione per determinare come il fenomeno cambia con la dimensione delle particelle e la chimica.

"Non c'è motivo per cui questo non dovrebbe essere vero per altri liquidi, il che significa che questo potrebbe ridefinire il modo in cui la fluidodinamica è intesa su scala nanometrica, ", ha detto. "Tutte le tecnologie e i processi naturali che utilizzano liquidi confinati su scala nanometrica saranno interessati".