In molte situazioni, gli ingegneri vogliono ridurre al minimo il contatto di gocce d'acqua o altri liquidi con le superfici su cui cadono. Sia che l'obiettivo sia impedire che il ghiaccio si accumuli sull'ala di un aereo o sulla pala di una turbina eolica, o prevenire la perdita di calore da una superficie durante la pioggia, o prevenire l'accumulo di sale sulle superfici esposte agli spruzzi oceanici, far rimbalzare le goccioline il più velocemente possibile e ridurre al minimo la quantità di contatto con la superficie può essere la chiave per mantenere il corretto funzionamento dei sistemi.

Ora, uno studio dei ricercatori del MIT dimostra un nuovo approccio per ridurre al minimo il contatto tra le goccioline e le superfici. Mentre i precedenti tentativi, anche da membri della stessa squadra, si sono concentrati sulla riduzione al minimo del tempo che la gocciolina trascorre a contatto con la superficie, il nuovo metodo si concentra invece sull'estensione spaziale del contatto, cercando di ridurre al minimo la distanza di diffusione di una goccia prima di rimbalzare.

Le nuove scoperte sono descritte nella rivista ACS Nano in un articolo dello studente laureato del MIT Henri-Louis Girard, postdottorato Dan Soto, e professore di ingegneria meccanica Kripa Varanasi. La chiave del processo, spiegano, sta creando una serie di forme ad anello in rilievo sulla superficie del materiale, che fanno sì che la goccia in caduta schizzi verso l'alto in un modello a forma di ciotola invece di fluire piatta sulla superficie.

Il lavoro è il seguito di un precedente progetto di Varanasi e del suo team, in cui sono stati in grado di ridurre il tempo di contatto delle goccioline su una superficie creando creste rialzate sulla superficie, che ha interrotto il modello di diffusione delle goccioline impattanti. Ma il nuovo lavoro va oltre, ottenendo una riduzione molto maggiore della combinazione del tempo di contatto e dell'area di contatto di una goccia.

Per prevenire la formazione di ghiaccio sull'ala di un aeroplano, Per esempio, è essenziale far rimbalzare le goccioline d'acqua in un tempo inferiore a quello necessario per il congelamento dell'acqua. La precedente superficie rigata è riuscita a ridurre il tempo di contatto, ma Varanasi dice "da allora, abbiamo scoperto che c'è un'altra cosa in gioco qui, " che è quanto lontano si estende la goccia prima di rimbalzare e rimbalzare. "La riduzione dell'area di contatto della goccia d'urto dovrebbe anche avere un impatto drammatico sulle proprietà di trasferimento dell'interazione, "Dice Varanasi.

Il team ha avviato una serie di esperimenti che hanno dimostrato che anelli rialzati della giusta dimensione, coprendo la superficie, farebbe invece schizzare verso l'alto l'acqua che fuoriesce da una goccia d'urto, formando uno splash a forma di ciotola, e che l'angolo di quella spruzzata verso l'alto potrebbe essere controllato regolando l'altezza e il profilo di quegli anelli. Se gli anelli sono troppo grandi o troppo piccoli rispetto alla dimensione delle goccioline, il sistema diventa meno efficace o non funziona affatto, ma quando la taglia è giusta, l'effetto è drammatico.

Si scopre che la sola riduzione del tempo di contatto non è sufficiente per ottenere la massima riduzione del contatto; è la combinazione del tempo e dell'area di contatto che è fondamentale. In un grafico del tempo di contatto su un asse, e l'area di contatto sull'altro asse, ciò che conta davvero è l'area totale sotto la curva, cioè il prodotto del tempo e l'estensione del contatto. L'area di diffusione era "era un altro asse che nessuno ha toccato" nelle ricerche precedenti, dice Girard. "Quando abbiamo iniziato a farlo, abbiamo visto una reazione drastica, " riducendo il tempo totale e l'area di contatto della goccia del 90 percento. "L'idea di ridurre l'area di contatto formando "bocce d'acqua" ha un effetto molto maggiore sulla riduzione dell'interazione complessiva rispetto alla riduzione del solo tempo di contatto, "Dice Varanasi.

Quando la goccia inizia a diffondersi all'interno del cerchio in rilievo, non appena colpisce il bordo del cerchio, inizia a deviare. "Il suo slancio è reindirizzato verso l'alto, "Girardo dice, e sebbene finisca per espandersi verso l'esterno quanto avrebbe altrimenti, non è più in superficie, e quindi non raffreddando la superficie, o che porta alla glassa, o bloccando i pori su un tessuto "impermeabile".

Gli anelli stessi possono essere realizzati in modi diversi e con materiali diversi, i ricercatori dicono:sono solo le dimensioni e lo spazio che contano. Per alcuni test, hanno usato anelli stampati in 3D su un substrato, e per altri hanno utilizzato una superficie con un motivo creato attraverso un processo di incisione simile a quello utilizzato nella produzione di microchip. Altri anelli sono stati realizzati tramite fresatura di plastica controllata da computer.

Mentre gli impatti di goccioline a velocità più elevata generalmente possono essere più dannosi per una superficie, con questo sistema le velocità più elevate migliorano effettivamente l'efficacia del reindirizzamento, schiarendo ancora di più il liquido che a velocità inferiori. Questa è una buona notizia per le applicazioni pratiche, per esempio in caso di pioggia, che ha una velocità relativamente alta, dice Girard. "In realtà funziona meglio più vai veloce, " lui dice.

Oltre a tenere il ghiaccio lontano dalle ali degli aeroplani, il nuovo sistema potrebbe avere un'ampia varietà di applicazioni, dicono i ricercatori. Per esempio, i tessuti "impermeabili" possono impregnarsi e iniziare a perdere quando l'acqua riempie gli spazi tra le fibre, ma quando trattato con gli anelli di superficie, i tessuti hanno mantenuto la loro capacità di disperdere l'acqua più a lungo, e si è comportato meglio nel complesso, dice Girard. "C'è stato un miglioramento del 50 percento utilizzando le strutture ad anello, " lui dice.