La bagnabilità di una superficie, indipendentemente dal fatto che gocce d'acqua o un altro liquido si sporchino o si diffondano quando entrano in contatto con essa, è un fattore cruciale in un'ampia varietà di applicazioni commerciali e industriali, come l'efficienza con cui caldaie e condensatori funzionano in potenza impianti o il modo in cui i tubi di calore convogliano il calore nei processi industriali. Questa caratteristica è stata a lungo vista come una proprietà fissa di una data coppia di materiali liquidi e solidi, ma ora i ricercatori del MIT hanno sviluppato un modo per far sì che anche gli accoppiamenti più improbabili di materiali assumano un livello di bagnabilità desiderato.

Il nuovo processo è descritto questa settimana nella rivista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ), in un articolo dei dottorandi del MIT Kyle Wilke, Zhengmao Lu e Youngsop Song e della professoressa di ingegneria meccanica Evelyn Wang.

La bagnabilità è solitamente strettamente legata alle proprietà di tensione superficiale di un liquido:maggiore è la tensione superficiale, più è probabile che il liquido formi perline su una superficie piuttosto che allargarsi per bagnare la superficie. Il mercurio ha una tensione superficiale eccezionalmente elevata ed è quindi considerato altamente non bagnante, quindi il team ha scelto questo liquido notoriamente difficile per una delle loro dimostrazioni. Sono stati in grado di produrre una superficie, realizzata con un materiale tipicamente non bagnante, che ha causato la diffusione del mercurio su di essa senza una reazione chimica, cosa mai dimostrata prima.

Il nuovo metodo si basa sulla strutturazione della superficie, indipendentemente dalla sua composizione, con rientranze ravvicinate che hanno "aperture rientranti", ovvero l'apertura in alto è più stretta del resto della cavità, un po' come un barattolo con una stretta bocca. Questa superficie strutturata è pretrattata con un liquido che riempie tutte queste cavità, lasciando aree di liquido esposte in queste aperture sulla superficie, che alterano le proprietà della superficie. Quando viene aggiunto un altro liquido, che a seconda dell'applicazione può essere uguale o diverso da quello precaricato sulla superficie, la sua risposta alla superficie cambia da non bagnante a bagnante.

Le superfici che hanno un'elevata bagnabilità per l'acqua sono conosciute come idrofile e quelle che non sono bagnanti per l'acqua sono conosciute come idrofobiche. Bagnabilità o non bagnabilità è il termine generico per tale comportamento indipendentemente dal particolare liquido coinvolto.

Sebbene le superfici rientranti siano state dimostrate in precedenza per altri scopi, questo lavoro è il primo a dimostrare che possono essere utilizzate per alterare la superficie per produrre "regimi di bagnatura che non sono stati dimostrati prima", afferma Wang, che è il Ford Professor of Engineering e capo del Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT.

I risultati sono così nuovi che potrebbero esserci molte applicazioni del mondo reale a cui il team non ha ancora pensato, afferma Wilke:"È qualcosa che siamo davvero entusiasti di iniziare a esplorare", afferma. Ma è probabile che la gestione termica in vari processi industriali sia tra i primi usi pratici. Il modo in cui l'acqua o un altro fluido di lavoro si diffonde, o non riesce a diffondersi, sulle superfici del condensatore può avere una grande influenza sull'efficienza di molti processi che coinvolgono l'evaporazione e la condensazione, comprese le centrali elettriche e gli impianti di lavorazione chimica.

"Ora abbiamo preso una superficie non bagnante e l'abbiamo resa bagnante", afferma Wilke. "Le persone hanno già fatto il caso opposto, prendendo qualcosa che sta bagnando e rendendolo non bagnante". Pertanto, questo nuovo lavoro apre le porte alla possibilità di esercitare un controllo quasi totale della bagnabilità per diverse combinazioni di materiali e liquidi di superficie.

"Ora possiamo creare superfici con le combinazioni più immaginabili di bagnabilità", afferma Wilke. "Penso che questo possa sicuramente aprire alcune applicazioni davvero intriganti che stiamo cercando di esplorare."

Un'area promettente è quella dei rivestimenti protettivi. Molti materiali utilizzati per proteggere le superfici dai prodotti chimici aggressivi sono composti fluorurati che sono fortemente non bagnanti, il che potrebbe renderli inadatti a molte applicazioni. Rendere tali superfici bagnate potrebbe aprire molti nuovi potenziali usi per tali rivestimenti.

I tubi di calore ad alta temperatura, utilizzati per condurre il calore da un luogo all'altro, ad esempio per il raffreddamento di macchinari o componenti elettronici, sono un'altra applicazione promettente. "Molti di questi fluidi di lavoro sono metalli liquidi ed è noto che hanno una tensione superficiale molto elevata", afferma Lu. Ciò limita drasticamente la scelta di tali fluidi e questo nuovo approccio potrebbe aprire possibili scelte di materiali.

Mentre le complesse rientranze superficiali per questa ricerca sono state fabbricate utilizzando processi di produzione di semiconduttori, il team sta esplorando altri modi per ottenere lo stesso tipo di texture utilizzando la stampa 3D o qualche altro processo che potrebbe essere più facilmente scalato per applicazioni nel mondo reale.

Il team sta anche esplorando le variazioni nelle dimensioni e nelle forme di queste aperture rientranti. Ad esempio, dice Lu, mentre è la superficie e la spaziatura di queste aperture che determina principalmente il loro comportamento di bagnabilità, la loro profondità può influenzare la stabilità di questo comportamento, perché i fori più profondi sono più resistenti all'evaporazione che potrebbe compromettere i miglioramenti della bagnabilità. "La distanza dal fondo del canale è una dimensione critica che può influenzare il comportamento di bagnatura", afferma. Queste variazioni sono in fase di esplorazione nel lavoro di follow-up.

Usando il mercurio, dice Lu, il team "ha scelto il nostro set di geometrie in base a questo caso più difficile" ed è stato comunque in grado di dimostrare un'elevata bagnabilità. "Quindi, per combinazioni meno difficili, hai più flessibilità nella scelta di geometrie probabilmente più facili da realizzare."

"Probabilmente ci sono molte industrie che trarranno vantaggio", dice Wang, "che si tratti di un'industria di trasformazione chimica o di un'industria di trattamento delle acque o di un'industria di prodotti termici". Uno dei prossimi passi che il team farà, dice, è "parlare con questi vari settori per identificare dove si trova l'opportunità a termine più vicino". + Esplora ulteriormente

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Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.