Esempi di insetti idrorepellenti dotati di texture superficiali su nanoscala ad alta frazione solida. (A) Immagini di microscopia elettronica ottica e a scansione (SEM) di occhi di zanzara, un collemboli, e ali di cicala che mostrano la presenza di trame superficiali su nanoscala ad alta frazione solida (Photo credit:L.W., Pennsylvania State University). (B) Un grafico che riassume la frazione solida s e la corrispondente dimensione della trama D per vari insetti idrorepellenti. Si noti che la frazione solida delle diverse superfici degli insetti è compresa tra ~ 0,25 e ~ 0,64, che è sostanzialmente superiore a quello delle superfici vegetali (es. s ~ 0,01). Le barre di errore indicano le SD per cinque misurazioni indipendenti. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abb2307
Molte superfici naturali possono rilasciare rapidamente gocce d'acqua grazie alla loro funzionalità idrorepellente. Nel 1945, gli scienziati Cassie e Baxter hanno collegato la funzione idrorepellente delle superfici naturali alla loro struttura superficiale. L'uso di texture a bassa frazione solida (indicate con Φ S ) è quindi un principio chiave per progettare superfici idrorepellenti. In questo lavoro, Lin Wang e un team di scienziati nella scienza dei materiali, ingegneria biomedica e ingegneria meccanica presso la Pennsylvania State University, Gli Stati Uniti hanno ridotto il tempo di contatto delle goccioline che rimbalzano su superfici ad alta frazione solida (cioè Φs ~ 0,25-0,65) riducendo la dimensione della struttura superficiale su scala nanometrica. Hanno mostrato come superfici ad alta frazione solida con una dimensione della trama inferiore a 100 nanometri potrebbero ridurre il tempo di contatto delle goccioline che rimbalzano di circa 2,6 millisecondi (ms) rispetto a una dimensione della trama superiore a 300 nm. La riduzione del tempo di contatto dipendente dalla consistenza e dalle dimensioni osservata sulle superfici solide è un primo risultato dello studio rispetto alle teorie esistenti sulla bagnabilità della superficie. Wang et al. ha attribuito la riduzione del contatto delle goccioline su superfici su scala nanometrica alla tensione della linea di contatto trifase dominante. Sulla base di esperimenti di stabilità alla pressione, il team ha inoltre mostrato come le frazioni solide di superficie siano state bioispirate da insetti in grado di resistere all'impatto delle gocce di pioggia. I risultati sono ora pubblicati su Progressi scientifici .
Le superfici in nanoscala hanno ruoli diversi negli organismi biologici con importanza per la sopravvivenza degli insetti, esempi includono proprietà antiriflesso degli occhi di falena, proprietà antiappannanti delle zanzare, tecniche di autopulizia della cicala e antibiofouling della libellula. Anche il rapido distacco delle gocce di pioggia sugli insetti volanti è fondamentale per la loro sopravvivenza. Ad esempio, la durata dell'impatto delle gocce di pioggia sulle zanzare è di circa 0,5-10 ms; un lasso di tempo di meccanismi combinati di rilascio delle gocce attivo e passivo. Le piante e le ali delle farfalle possono anche mantenere modelli su microscala per spezzare l'impatto delle goccioline in pezzi più piccoli per ridurre il tempo di contatto delle goccioline. Però, gli scienziati dei materiali devono ancora capire come l'elevata frazione solida e le trame su scala nanometrica delle superfici idrorepellenti degli insetti possono causare il rapido distacco delle gocce di pioggia all'impatto. Per esplorare gli effetti delle dimensioni delle texture e le interazioni liquido-solido, Wang et al. progettato una serie di bioispirazioni, superfici strutturate simili a insetti, li ha rivestiti con un monostrato di silano per indurre l'idrofobicità superficiale (natura che odia l'acqua) e ha condotto una serie di esperimenti.
Confronto dei tempi di contatto delle gocce d'acqua che rimbalzano su superfici con diverse dimensioni della trama alla frazione solida 
Durante gli esperimenti, il team ha mantenuto lo stato Cassie-Baxter (bagnatura superficiale eterogenea) con le goccioline di liquido di prova e ha confrontato il tempo di contatto delle gocce d'acqua che rimbalzano su superfici strutturate. Le superfici con una dimensione della trama inferiore a 300 nm hanno mostrato un tempo di contatto ridotto per il rimbalzo delle goccioline. La riduzione del contatto delle goccioline su superfici solide, dipendente dalle dimensioni della trama, è stata un primo studio rispetto alle teorie esistenti sulla bagnatura della superficie.
In teoria, il tempo di contatto può essere previsto rispetto alla densità e alla tensione superficiale dell'acqua. Quando una goccia di liquido ha colpito una superficie ruvida, si estendeva fino a un diametro massimo e si ritraeva dalla superficie in modo molto simile a una "molla liquida". la tensione interfacciale liquido-aria della gocciolina dominava la costante elastica della molla liquida. Nel frattempo, qualsiasi contributo delle interazioni liquido-solido potrebbe essere ignorato. Però, gli scienziati non potevano ignorare le interazioni liquido-solido su superfici strutturate ad alta frazione solida dove Φ S pari a 0,44, a causa dell'energia aggiuntiva risultante dalla formazione di linee di contatto trifase sotto le goccioline per influenzare le loro energie di rimbalzo. Per questo, Wang et al. considerata la tensione della linea di contatto trifase (τ), introdotto per la prima volta da Gibbs nel 1870, dove le misure sperimentali di dipendevano dallo specifico sistema in esame.
Confronto del tempo di contatto delle gocce d'acqua che rimbalzano su superfici ruvide. (A) Immagini time-lapse di gocce d'acqua che rimbalzano (diametro d0 ~ 2,3 mm, Numero di Weber We ~ 31,6) su superfici con frazione solida Φs =0,44. La goccia si è staccata più velocemente da trame di ~100 nm rispetto a quella di trame di ~300 nm. D indica la dimensione del cappuccio della trama di ciascun pilastro rientrante, e tc indica il tempo di contatto. (B) Esperimenti di impatto di caduta identici su superfici con frazione solida Φs =0,25. Goccioline staccate contemporaneamente da entrambe le superfici. Riquadri che mostrano le immagini SEM di trame rientranti fabbricate su nanoscala. Barre di scala in tutte le immagini SEM, 200nm; barra della scala nell'immagine ottica, 1 mm. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abb2307
Cinematica delle gocce che rimbalzano su superfici strutturate e stabilità alla pressione delle superfici
Per comprendere ulteriormente la riduzione del tempo di contatto delle goccioline che impattano sulle superfici su scala nanometrica, Wang et al. ha studiato la cinematica delle goccioline che rimbalzano in base ai processi di diffusione e retrazione. Mentre le velocità di diffusione delle gocce erano simili su superfici diverse, durante la fase di retrazione, le gocce impiegavano più tempo a ritrarsi completamente dalle superfici con frazioni solide più elevate. Il lavoro ha mostrato come l'aumento della frazione solida abbia quindi aumentato il tempo di retrazione. Per esempio, una goccia su una superficie di silicio nero superidrofobo potrebbe ritrarsi a una velocità costante affinché le goccioline si allontanino al ritmo più veloce possibile. inaspettatamente, perciò, Wang et al. notato comportamento di rimbalzo superidrofobico su trame superficiali di 100 nm con una frazione solida di 0,44
Stabilità alla pressione delle superfici strutturate rientranti contro l'impatto delle gocce di pioggia. (A) Una mappa di fase che mostra la stabilità alla pressione delle superfici strutturate rientranti contro l'impatto delle gocce di pioggia in funzione della dimensione della trama e della frazione solida. Per respingere le gocce di pioggia, richiede una pressione capillare PC sufficiente su superfici strutturate per resistere alla pressione del martello della pioggia PH. P* è definito come il rapporto tra PC e PH, cioè., P* =PC/PH. Si noti che le superfici testurizzate sono stabili alla pressione quando la dimensione della trama D è piccola ad un'elevata frazione solida Φs. È dimostrato che tutti i parametri geometrici delle tessiture superficiali sugli insetti idrorepellenti rientrano o si avvicinano al regime stabile alla pressione. (B) Risultati sperimentali che mostrano goccioline che impattano su superfici strutturate rientranti con diversi parametri geometrici. Goccioline d'acqua con velocità terminale ~4,0 m/s hanno colpito i pilastri rientranti, con conseguente pressione del colpo d'ariete PH ~ 1.2 MPa e We ~ 505.5. La superficie con dimensione della trama di 200 nm e frazione solida di 0,44 è stata in grado di mantenere la gocciolina allo stato Cassie-Baxter (simbolo della stella solida), mentre le goccioline su altre superfici erano in stato Wenzel parziale (simboli stella vuoti). Barra della scala, 2mm. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.abb2307
Per capire il risultato, gli scienziati hanno quindi sviluppato un metodo per quantificare l'isteresi dell'angolo di contatto misurando sistematicamente l'angolo di contatto in avanzamento e in allontanamento sulle superfici ingegnerizzate. Le superfici con una frazione solida più elevata avevano una retrazione ritardata delle gocce, deviando notevolmente dal comportamento di rimbalzo superidrofobico previsto. È stato quindi interessante capire perché le superfici anti-insetto idrorepellenti non adottassero texture con una frazione solida inferiore per eliminare l'acqua in modo più efficace. Per questo, Wang et al. ha studiato la stabilità alla pressione delle superfici strutturate contro le gocce d'urto quando le gocce d'acqua che urtano una superficie solida sono state sottoposte a due modalità di pressione d'impatto. La prima modalità era la pressione del colpo d'ariete sulla superficie di contatto liquido-solido e la seconda modalità era la pressione dinamica nella fase di diffusione. Il team ha quindi dimostrato che un'elevata frazione solida è un requisito importante per gli insetti per resistere alla pressione d'impatto delle gocce di pioggia al fine di eliminarle completamente.
Prova di stabilità alla pressione su una superficie microstrutturata rientrante con frazione solida
In questo modo, Lin Wang e colleghi hanno mostrato come le trame su scala nanometrica su superfici ad alto solido hanno ridotto per la prima volta il tempo di contatto delle goccioline che rimbalzano. I risultati hanno scoperto una strategia senza precedenti per ridurre il tempo di contatto delle goccioline che rimbalzano su superfici solide. Il team ha ottenuto un comportamento di rimbalzo superidrofobico su superfici ad alta frazione solida (Φ S =0,44) con una dimensione della trama su scala nanometrica che si avvicina a 100 nm. I risultati fanno luce su come gli insetti sfuggono all'impatto ad alta velocità delle gocce di pioggia. Lo studio fornisce prove sperimentali della necessità di strutture ad alta funzione solida per contrastare la pressione d'impatto delle gocce di pioggia. tecnicamente, un materiale strutturato compatto su nanoscala in grado di respingere l'impatto ad alta velocità di goccioline di liquido con un tempo di contatto ridotto avrà una gamma di applicazioni nel facilitare dispositivi di protezione individuale resistenti alle incrostazioni, per robot volanti delle dimensioni di un insetto e in droni miniaturizzati.
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