Nel deserto africano del Namib, il vento mattutino pieno di nebbia porta l'acqua potabile per uno scarabeo chiamato Stenocara.

Piccole goccioline si raccolgono sulla schiena irregolare del coleottero. Le aree tra le protuberanze sono ricoperte da una sostanza cerosa che le rende idrorepellenti, o idrofobico (che teme l'acqua). L'acqua si accumula sugli amanti dell'acqua, o idrofilo, urti, formando goccioline che alla fine diventano troppo grandi per rimanere ferme, quindi arrotolare la superficie cerosa.

Lo scarabeo si disseta inclinando il dorso verso l'alto e sorseggiando le goccioline accumulate che cadono nella sua bocca. Incredibilmente, lo scarabeo raccoglie abbastanza acqua attraverso questo metodo per bere il 12% del suo peso corporeo ogni giorno.

Più di un decennio fa, la notizia dell'efficiente sistema di raccolta dell'acqua di questa creatura ha ispirato gli ingegneri a provare a riprodurre queste superfici in laboratorio.

Progressi su piccola scala nella fisica dei fluidi, l'ingegneria dei materiali e la nanoscienza da quel momento li hanno avvicinati al successo.

Questi piccoli sviluppi, però, hanno la prospettiva di portare a cambiamenti su vasta scala. Comprendere come i liquidi interagiscono con materiali diversi può portare a una maggiore efficienza, processi e prodotti economici, e potrebbe persino portare ad ali di aeroplano impermeabili al ghiaccio e ai finestrini autopulenti.

Dossi di scarabeo in laboratorio

Utilizzando vari metodi per creare superfici dai motivi complessi, gli ingegneri possono realizzare materiali che imitano da vicino la schiena dello scarabeo.

"Dieci anni fa nessuno aveva la capacità di modellare superfici come questa su scala nanometrica, "dice Sumanta Acharya, un direttore del programma della National Science Foundation (NSF). "Abbiamo osservato superfici naturalmente idrofobiche come la foglia di loto per decenni. Ma anche se lo capissimo, cosa potremmo fare al riguardo?"

Ciò che i ricercatori hanno fatto è creare superfici che eccellono così tanto nel respingere o attirare l'acqua che hanno aggiunto un "super" all'inizio della loro descrizione:superidrofobico o superidrofilo.

Molte superfici superidrofobiche create da rivestimenti chimici sono già sul mercato (scarpe idrorepellenti! magliette! iPhone!).

Però, molti ricercatori si concentrano su materiali con elementi fisici che li rendono superidrofobici.

Questi materiali hanno pilastri di dimensioni micro o nano, pali o altre strutture che alterano gli angoli con cui le gocce d'acqua entrano in contatto con la loro superficie. Questi angoli di contatto determinano se una goccia d'acqua si gonfia come una minuscola sfera di cristallo o si rilassa un po' e si posa sulla superficie come un frappè versato.

Variando la disposizione di queste superfici, i ricercatori possono ora intrappolare, dirigere e respingere piccole quantità di acqua per una varietà di nuovi scopi.

"Ora possiamo fare cose con fluidi che prima immaginavamo solo, " afferma l'ingegnere meccanico Constantine Megaridis dell'Università dell'Illinois a Chicago. Megaridis e il suo team hanno due sovvenzioni NSF dalla divisione chimica della direzione dell'ingegneria, Bioingegneria, Sistemi ambientali e di trasporto.

"Gli sviluppi ci hanno permesso di creare dispositivi, dispositivi con il potenziale per aiutare l'umanità, che fanno le cose molto meglio di quanto non sia mai stato fatto prima, " lui dice.

Megaridis ha usato i suoi design ispirati allo scarabeo per mettere precisi, modelli strutturati su materiali economici, realizzare circuiti microfluidici.

Strisce di plastica con centri superidrofili e ambienti superidrofobici che combinano o separano i fluidi hanno il potenziale di fungere da piattaforme per i test diagnostici (guarda "La corsa delle gocce d'acqua").

"Immagina di voler portare gocce di sangue o acqua o qualsiasi liquido in un determinato luogo, "Spiega Megaridis. "Proprio come un'autostrada, la strada è la striscia per far scendere il liquido, e finisce per raccogliersi in un serbatoio di stoccaggio del fluido in superficie." Il serbatoio di stoccaggio potrebbe contenere un agente reattivo. Il personale medico potrebbe utilizzare le strisce monouso per testare sul campo campioni d'acqua per E. coli, Per esempio.

Dispositivi come questi, creati nei laboratori di ingegneria, si stanno facendo strada verso il mercato.

Acqua, acqua nell'aria

Nanotecnologie NBD, una società con sede a Boston finanziata dal programma Small Business Technology Transfer di NSF, mira ad aumentare la durata e la funzionalità dei rivestimenti superficiali per uso industriale.

Una delle applicazioni più efficaci per la ricerca superidrofobica o idrofobica è il miglioramento dell'efficienza della condensazione. Quando il vapore acqueo si condensa in un liquido, forma tipicamente un film. Quel film è una barriera tra il vapore e la superficie, rendendo più difficile la formazione di altre goccioline. Se quel film può essere evitato sbattendo via le goccioline subito dopo che si sono condensate, diciamo, con una superficie superidrofoba, la velocità di condensazione aumenta.

I condensatori sono ovunque. Sono nel tuo frigorifero, auto e condizionatore. Una condensazione più efficiente consentirebbe a tutte queste apparecchiature di funzionare con meno energia. Una migliore efficienza è particolarmente importante nei luoghi in cui il raffreddamento su larga scala è fondamentale, come le centrali elettriche.

"NBD realizza rivestimenti più durevoli che si estendono su ampie superfici, ", afferma la scienziata senior di NBD Nanotechnologies Sara Beaini. "La durata è un fattore importante, perché quando lavori a livello micro dipendi dall'avere una struttura superficiale incontaminata. Qualsiasi abrasione meccanica o chimica che distorce le strutture superficiali può ridurre significativamente o eliminare rapidamente le proprietà vantaggiose della superficie."

NBD, che potresti aver indovinato sta per Namib Beetle Design, ha collaborato con Megaridis e altri per migliorare la durata, la sfida principale nella commercializzazione della ricerca superidrofobica. I condensatori delle centrali elettriche con rivestimenti idrorepellenti o superidrofobici durevoli potrebbero essere più efficienti. E con la mancanza di acqua ed energia incombente, le partnership come la loro che aiutano a trasferire questa svolta dal laboratorio al mondo esterno sono sempre più preziose.

Altri gruppi hanno applicato metodi di modellazione idrofobica in modi intelligenti.

Kripa Varanasi, mechanical engineer at MIT and NSF CAREER awardee, has applied superhydrophobic coatings to metal, ceramics and glass, including the insides of ketchup bottles. Julie Crockett and Daniel Maynes at Brigham Young University developed extreme waterproofing by etching microscopic ridges or posts onto CD-sized wafers.

With all these cross-country efforts, many are optimistic for a future where people in dry areas can harvest fresh water from a morning wind, and lower their energy needs dramatically.

"If someone comes up with a really cheap solution, then applications are waiting, " said Rajesh Mehta, NSF Small Business Innovation Research/Small Business Technology Transfer program director.