Nelle tradizionali superfici ruvide superidrofobiche, minuscole goccioline di liquido allo stato Wenzel rimarranno attaccate alle trame della superficie. In contrasto, la nuova superficie ruvida e scivolosa consente un'elevata mobilità per le goccioline di Wenzel. Credito:Xianming Dai e Tak-Sing Wong, Penn State
Le foglie del fiore di loto, e altre superfici naturali che respingono l'acqua e lo sporco, sono stati il modello per molti tipi di superfici ingegnerizzate idrorepellenti. Per quanto scivolose siano queste superfici, però, minuscole goccioline d'acqua si attaccano ancora a loro. Ora, I ricercatori della Penn State hanno sviluppato nano/micro-testurizzati, superfici altamente scivolose in grado di superare questi rivestimenti di ispirazione naturale, in particolare quando l'acqua è un vapore o piccole goccioline.
Migliorare la mobilità delle goccioline di liquido su superfici ruvide potrebbe migliorare il trasferimento del calore di condensazione per gli scambiatori di calore delle centrali elettriche, creare una raccolta dell'acqua più efficiente nelle regioni aride, e prevenire la formazione di ghiaccio e brina sulle ali degli aerei. "Questo rappresenta un concetto fondamentalmente nuovo nelle superfici ingegnerizzate, " disse Tak-Sing Wong, assistente professore di ingegneria meccanica e membro di facoltà presso il Penn State Materials Research Institute. "Le nostre superfici combinano le architetture superficiali uniche delle foglie di loto e delle piante carnivore in modo tale che queste superfici possiedano sia un'area superficiale elevata che un'interfaccia scivolosa per migliorare la raccolta e la mobilità delle gocce. La mobilità delle goccioline liquide su superfici ruvide dipende fortemente da come il liquido bagna la superficie. Abbiamo dimostrato per la prima volta sperimentalmente che le goccioline di liquido possono essere altamente mobili quando si trovano nello stato Wenzel".
Le goccioline di liquido su superfici ruvide si presentano in uno dei due stati:Cassie, in cui il liquido galleggia parzialmente su uno strato di aria o gas, e Wenzel, in cui le goccioline sono a pieno contatto con la superficie, intrappolarli o bloccarli. I due stati prendono il nome dai fisici che per primi li descrissero. Mentre l'equazione di Wenzel fu pubblicata nel 1936 in un articolo molto citato, è stato estremamente difficile verificare sperimentalmente l'equazione.
"Attraverso attento, analisi sistematica, abbiamo scoperto che l'equazione di Wenzel non si applica ai liquidi altamente bagnanti, " disse Birgitt Boschitsch Stogin, studente laureato nel gruppo di Wong e coautore di "Slippery Wenzel State, " pubblicato nell'edizione online di ACS Nano .
Schema che mostra una nuova superficie ingegnerizzata in grado di respingere i liquidi in qualsiasi stato di umidità. Credito:Xianming Dai, Chujun Zeng e Tak-Sing Wong
"Le goccioline su superfici ruvide convenzionali sono mobili nello stato di Cassie e fissate nello stato di Wenzel. Lo stato di Wenzel appiccicoso provoca molti problemi nel trasferimento del calore di condensazione, raccolta dell'acqua e rimozione del ghiaccio. La nostra idea è di risolvere questi problemi consentendo alle goccioline di stato di Wenzel di essere mobili, " disse Xianming Dai, studioso postdottorato nel gruppo di Wong e autore principale del documento. Nell'ultima decade, enormi sforzi sono stati dedicati alla progettazione di superfici ruvide che impediscano la transizione di bagnatura Cassie-Wenzel. Un progresso concettuale chiave nel presente studio è che sia le goccioline di stato di Cassie che di stato di Wenzel possono mantenere la mobilità sulla superficie ruvida e scivolosa, rinunciando al difficile processo di prevenzione della transizione bagnante.
Per rendere mobili le goccioline di stato di Wenzel, i ricercatori hanno inciso pilastri di scala micrometrica in una superficie di silicio utilizzando la fotolitografia e l'incisione profonda con ioni reattivi, e quindi ha creato trame su scala nanometrica sui pilastri mediante incisione a umido. Hanno quindi infuso le nanostrutture con uno strato di lubrificante che ha ricoperto completamente le nanostrutture, con conseguente notevole riduzione dell'inchiodamento delle goccioline. Le nanostrutture hanno anche notevolmente migliorato la ritenzione del lubrificante rispetto alla sola superficie microstrutturata.
Lo stesso principio di progettazione può essere facilmente esteso ad altri materiali oltre al silicio, come metalli, bicchiere, ceramiche e plastiche. Gli autori ritengono che questo lavoro aprirà la ricerca di un nuovo, modello unificato della fisica della bagnatura che spiega i fenomeni di bagnatura su superfici ruvide.
