Quando si tratta di progettare superfici estremamente idrorepellenti, la forma e le dimensioni contano. Questa è la scoperta di un gruppo di scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, che hanno studiato gli effetti di forme diverse, trame su scala nanometrica sulla capacità di un materiale di costringere le gocce d'acqua a rotolare via senza bagnarne la superficie. Questi risultati e i metodi utilizzati per fabbricare tali materiali, pubblicati online il 21 ottobre, 2013, in Materiale avanzato -sono molto importanti per un'ampia gamma di applicazioni in cui l'impermeabilità è importante, compresa la produzione di energia e il trasporto.

"L'idea che trame microscopiche possano conferire a un materiale con proprietà idrorepellenti ha le sue origini in natura, " ha spiegato il fisico di Brookhaven e autore principale Antonio Checco. "Ad esempio, le foglie delle piante di loto e gli esoscheletri di alcuni insetti hanno una trama su piccola scala progettata per respingere l'acqua intrappolando l'aria. Questa proprietà, chiamato 'superidrofobicità' (o super-odio-acqua), consente alle gocce d'acqua di rotolare via facilmente, portando con sé particelle di sporco."

Imitare questo meccanismo autopulente della natura è rilevante per una vasta gamma di applicazioni, come il non-fouling, antigelo, e rivestimenti antibatterici. Però, le superfici superidrofobiche ingegnerizzate spesso si guastano in condizioni che comportano alte temperature, pressione, e umidità, come i parabrezza delle automobili e degli aerei e i generatori di corrente a turbina a vapore, quando l'aria intrappolata nella trama può essere soggetta a fuoriuscire. Quindi gli scienziati hanno cercato schemi per migliorare la robustezza di queste superfici ritardando o prevenendo la fuoriuscita dell'aria.

Creazione di texture su scala nanometrica

"In linea di principio, l'elevata robustezza richiesta per diverse applicazioni potrebbe essere ottenuta con caratteristiche di trama fino a 10 nanometri (miliardesimi di metro) perché la pressione necessaria al liquido per infiltrarsi nella trama e forzare l'aria fuori aumenta notevolmente con il restringimento delle dimensioni della trama, » spiegò Checco. «Ma in pratica, è difficile ridurre le caratteristiche della trama superficiale mantenendo il controllo sulla loro forma."

"Per questo lavoro, abbiamo sviluppato un approccio di fabbricazione basato sull'autoassemblaggio di nanostrutture, che ci consente di controllare con precisione la geometria della struttura della superficie su un'area ampia quanto vogliamo, in linea di principio, anche grandi come metri quadrati, " disse Checco.

La procedura per creare queste superfici nanostrutturate superidrofobiche, sviluppato in collaborazione con scienziati del Center for Functional Nanomaterials (CFN) di Brookhaven, sfrutta la tendenza dei materiali "copolimeri a blocchi" ad auto-organizzarsi spontaneamente attraverso un meccanismo noto come separazione in microfase. Il processo di autoassemblaggio si traduce in film sottili di polimero con elevata uniformità, dimensioni regolabili di 20 nanometri o inferiori. Il team ha utilizzato questi film polimerici nanostrutturati come modelli per creare superfici nanostrutturate combinandoli con metodi di lavorazione a film sottile più comunemente usati nella fabbricazione di dispositivi elettronici, ad esempio incidendo selettivamente parti della superficie per creare disegni strutturati.

"Questo nuovo approccio sfrutta i nostri metodi di lavorazione del film sottile, al fine di adattare con precisione la geometria della nanostruttura superficiale attraverso il controllo delle condizioni di lavorazione, ", ha affermato il fisico e coautore di Brookhaven Charles Black.

L'effetto della forma

Gli scienziati hanno creato e testato nuovi materiali con diverse trame in nanoscala, alcuni decorati con minuscoli pilastri cilindrici dai lati diritti e altri con coni angolati. Sono stati anche in grado di controllare la distanza tra queste caratteristiche su scala nanometrica per ottenere una forte idrorepellenza.

Dopo aver rivestito i loro materiali di prova con un sottile film di materiale simile alla cera, gli scienziati hanno misurato il modo in cui le gocce d'acqua rotolavano da ogni superficie quando venivano inclinate da posizioni verticali a piatte e hanno confrontato il comportamento con quello dei solidi non strutturati.

"Mentre abbiamo fabbricato diverse nanotessiture che hanno tutte aumentato significativamente l'idrorepellenza, alcune forme eseguite in modo diverso da altre, " ha affermato il fisico e coautore di Brookhaven Atikur Rahman. L'idrorepellenza potenziata era coerente con studi precedenti, incluso un precedente di Checco e collaboratori che ha mostrato che le bolle d'aria intrappolate nelle superfici strutturate costringono l'acqua a gonfiarsi in gocce. Però, nello studio attuale, il team ha inoltre dimostrato che le nanostrutture a forma di cono sono significativamente migliori dei pilastri cilindrici nel costringere le gocce d'acqua a rotolare via dalla superficie, mantenendo così le superfici asciutte.

"Nel caso dei pilastri cilindrici, quando la linea di contatto della goccia si allontana sulla superficie strutturata, può essere fissato alla nanotessitura, lasciando uno strato liquido microscopico sulle cime piatte dei pilastri invece di un substrato perfettamente asciutto, " disse Checco. "Le strutture a forma di cono hanno strutture più piccole, cime appuntite, probabilmente prevenendo questo effetto."

L'altra scoperta importante è stata che la capacità idrorepellente della nanostrutturazione a forma di cono ha resistito anche quando le gocce d'acqua sono state spruzzate sulla superficie con una siringa pressurizzante. Tale pressione potrebbe potenzialmente forzare l'acqua nei butteri di dimensioni nanometriche tra i pilastri conici o cilindrici, spostando le bolle d'aria e distruggendo l'effetto idrorepellente.

Gli scienziati hanno monitorato gli schizzi di goccioline utilizzando una telecamera ad alta velocità in grado di catturare 30, 000 fotogrammi al secondo. Per la superficie strutturata a cono, "Le goccioline spruzzate schizzano ed espellono goccioline satellite che si diffondono radialmente verso l'esterno mentre la parte più centrale della goccia originale si appiattisce, poi si ritrae, e rimbalza sulla superficie, " Ha detto Checco. "Non osserviamo alcuna caduta appuntata nel punto di impatto dopo che la goccia è rimbalzata indietro, indicando che la superficie rimane idrorepellente durante l'impatto a velocità fino a 10 metri al secondo, che è più veloce della velocità di una goccia di pioggia che cade."

Prossimi passi

Il team sta lavorando per estendere questa tecnica ad altri materiali, compresi vetro e plastica, e sulla fabbricazione di superfici che sono anche oleorepellenti modificando ulteriormente la forma della caratteristica.

Stanno anche studiando la resistenza di diverse nanotessiture alla penetrazione dell'acqua utilizzando intensi fasci di raggi X disponibili presso la National Synchrotron Light Source (NSLS) di Brookhaven. "L'obiettivo è capire quantitativamente come l'infiltrazione forzata del liquido dipenda dalla dimensione e dalla geometria della trama. Ciò aiuterà la progettazione di rivestimenti superidrofobici ancora più resilienti, " disse Checco.

La tecnica del nanopatterning utilizzata in questo studio consente anche la progettazione di un'ampia varietà di materiali con diverse testurizzazioni, e quindi diverse proprietà di idrorepellenza, su parti diverse di una singola superficie. Questo approccio potrebbe essere utilizzato, Per esempio, per fabbricare canali su scala nanometrica con proprietà autopulenti e a basso attrito del fluido per applicazioni diagnostiche come il rilevamento della presenza di DNA, proteine, o biotossine.

"Questo risultato è un eccellente esempio del tipo di progetto che può essere svolto in collaborazione con i centri di ricerca scientifica su nanoscala del DOE, " disse Black. "In precedenza, abbiamo perseguito strutture simili per uno scopo scientifico completamente diverso. Siamo felici di lavorare con Antonio attraverso il programma CFN User per aiutarlo a raggiungere i suoi obiettivi di ricerca."