"Onnifobico" potrebbe sembrare un modo per descrivere qualcuno che ha paura di tutto, ma in realtà si riferisce a un tipo speciale di superficie che respinge praticamente qualsiasi liquido. Tali superfici potrebbero essere potenzialmente utilizzate in tutto, dagli scafi delle navi che riducono la resistenza e aumentano l'efficienza, ai rivestimenti che resistono alle macchie e proteggono dai prodotti chimici dannosi. Ma le superfici onnifobe sviluppate finora soffrono di un grosso problema:la condensa può disattivare rapidamente le loro proprietà di eliminazione dei liquidi.

Ora, i ricercatori del MIT hanno trovato un modo per superare questo effetto, producendo un design della superficie che riduce drasticamente gli effetti della condensa, anche se con un leggero sacrificio in termini di prestazioni. Le nuove scoperte sono descritte nella rivista ACS Nano , in un articolo dello studente laureato Kyle Wilke, professore di ingegneria meccanica e capo dipartimento Evelyn Wang, e altri due.

Creare una superficie che possa disperdere praticamente tutti i liquidi richiede un tipo preciso di trama che crei una serie di microscopiche sacche d'aria separate da pilastri o creste. Queste sacche d'aria mantengono la maggior parte del liquido lontano dal contatto diretto con la superficie, impedendogli di "bagnare, " o allargandosi a coprire un'intera superficie. Invece, il liquido si accumula in goccioline.

"Molti liquidi sono perfettamente bagnanti, il che significa che il liquido si diffonde completamente, " dice Wilke. Questi includono molti dei refrigeranti utilizzati nei condizionatori d'aria e nei frigoriferi, idrocarburi come quelli usati come combustibili e lubrificanti, e molti alcolici. "Sono molto difficili da respingere. L'unico modo per farlo è attraverso una geometria della superficie molto specifica, che non è così facile da realizzare, " Aggiunge.

Vari gruppi stanno lavorando sui metodi di fabbricazione, lui dice, ma con caratteristiche superficiali misurate in decine di micron (milionesimi di metro) o meno, "può renderlo piuttosto difficile da fabbricare, e può rendere le superfici piuttosto fragili."

Se tali superfici sono danneggiate, ad esempio, se uno dei minuscoli pilastri è piegato o rotto, può vanificare l'intero processo. "Un difetto locale può distruggere la capacità dell'intera superficie di respingere i liquidi, " dice. E la condensa, come la formazione di rugiada a causa della differenza di temperatura tra l'aria e la superficie, agisce allo stesso modo, distruggere l'onnifobicità.

"Abbiamo considerato:come possiamo perdere parte della repellenza ma rendere la superficie robusta" contro i danni e la rugiada, dice Wilke. "Volevamo una struttura che un difetto non avrebbe distrutto". Dopo molti calcoli e sperimentazioni, hanno trovato una geometria che soddisfa questo obiettivo grazie, in parte, a microscopiche sacche d'aria che sono disconnesse anziché collegate sulle superfici, rendendo molto meno probabile la diffusione tra le tasche.

Le caratteristiche devono essere molto piccole, lui spiega, perché quando si formano le goccioline sono inizialmente alla scala dei nanometri, o miliardesimi di metro, e la distanza tra queste goccioline in crescita può essere inferiore a un micrometro.

L'architettura chiave sviluppata dal team si basa su creste i cui profili ricordano una lettera T, o in alcuni casi una lettera T con grazie (i piccoli ganci alle estremità dei tratti delle lettere in alcuni caratteri tipografici). Sia la forma stessa che la spaziatura di queste creste sono importanti per ottenere la resistenza della superficie ai danni e alla condensa. Le forme sono progettate per utilizzare la tensione superficiale del liquido per evitare che penetri nelle minuscole sacche d'aria superficiali, e il modo in cui le creste si connettono impedisce che qualsiasi penetrazione locale delle cavità superficiali si diffonda ad altre nelle vicinanze, come il team ha confermato nei test di laboratorio.

Le creste sono realizzate in un processo a più fasi utilizzando sistemi di produzione di microchip standard, prima incidendo gli spazi tra le creste, poi rivestendo i bordi dei pilastri, poi incidendo quei rivestimenti per creare la rientranza nei lati delle creste, lasciando uno sbalzo simile a un fungo in alto.

A causa dei limiti della tecnologia attuale, Wilke dice, le superfici onnifobiche sono usate raramente oggi, ma migliorare la loro durata e resistenza alla condensa potrebbe consentire molti nuovi usi. Il sistema dovrà essere ulteriormente perfezionato, anche se, al di là di questa prima prova del concetto. potenzialmente, può essere utilizzato per realizzare superfici autopulenti, e per migliorare la resistenza all'accumulo di ghiaccio, migliorare l'efficienza del trasferimento di calore nei processi industriali, compresa la generazione di energia, e per ridurre la resistenza su superfici come gli scafi delle navi.

Tali superfici potrebbero anche fornire protezione contro la corrosione, riducendo il contatto tra la superficie del materiale ed eventuali liquidi corrosivi a cui può essere esposto, dicono i ricercatori. E poiché il nuovo metodo offre un modo per progettare con precisione l'architettura della superficie, Wilke dice che può essere usato per "adattare il modo in cui una superficie interagisce con i liquidi, come per adattare il trasferimento di calore per la gestione termica in dispositivi ad alte prestazioni."

Chang Jin Kim, un professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso l'Università della California a Los Angeles che non era coinvolto in questo lavoro, dice "Uno dei limiti più significativi delle superfici onnifobiche è che, mentre tale superficie ha una repellenza ai liquidi superiore, l'intera superficie viene bagnata una volta che il liquido entra nei vuoti nella superficie strutturata in alcuni punti. Questo nuovo approccio risolve proprio questo limite".

Kim aggiunge che "mi piace che la loro idea chiave fosse basata sulla scienza fondamentale, mentre il loro obiettivo era risolvere un problema chiave della vita reale. Il problema che hanno affrontato è importante ma molto difficile." E, lui dice, "Questo approccio può potenzialmente rendere alcune delle superfici onnifobe utili e pratiche per alcune importanti applicazioni".

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.