Voragini microscopici che formano un mare di picchi conici frastagliati punteggiano la superficie di un materiale chiamato silicio nero. Anche se si trova comunemente nella tecnologia delle celle solari, il silicio nero è utilizzato anche come strumento per studiare la fisica del comportamento delle gocce d'acqua.
Il silicio nero è un materiale superidrofobo, il che significa che respinge l'acqua. A causa delle proprietà uniche di tensione superficiale dell'acqua, le goccioline scivolano su materiali strutturati come il silicio nero cavalcando una sottile fessura nella pellicola d'aria intrappolata al di sotto. Funziona alla grande quando le goccioline si muovono lentamente: scivolano e scivolano senza intoppi.
Ma quando la gocciolina si muove più velocemente, una forza sconosciuta sembra tirarne il ventre. Ciò ha sconcertato i fisici, ma ora un team di ricercatori dell’Università Aalto e dell’ESPCI Parigi ha una spiegazione e ha i numeri per sostenerla.
Matilda Backholm, professoressa assistente della Aalto University, è la prima autrice dell'articolo che descrive in dettaglio questi risultati, pubblicato il 15 aprile sulla rivista Atti della National Academy of Sciences. Lo ha condotto durante il suo periodo come ricercatrice post-dottorato nel gruppo Soft Matter and Wetting del Professor Robin Ras presso il Dipartimento di Fisica Applicata.
“Quando si osservano le interazioni acqua-superficie, ci sono tipicamente tre forze in gioco: l’attrito della linea di contatto, le perdite viscose e la resistenza dell’aria. Tuttavia, esiste una quarta forza che deriva dal movimento delle goccioline su superfici altamente scivolose come il silicio nero. Questo movimento crea effettivamente un effetto di taglio sull'aria intrappolata al di sotto, risultando in una forza simile a un trascinamento sulla gocciolina stessa. Questa forza di taglio non è mai stata spiegata prima e noi siamo i primi a identificarla”, afferma Backholm.
Le complesse interazioni della fisica dei fluidi e della materia soffice si rivelano difficili da semplificare in formule già pronte. Ma Backholm è riuscito a sviluppare un la tecnologia per misurare queste piccole forze, spiegare come funziona la forza e infine fornire la soluzione per eliminare del tutto la forza di resistenza.
Effetto di taglio dell'aria
La creazione di migliori superfici superidrofobiche renderebbe i sistemi di trasporto mondiali più aerodinamici, i dispositivi medici più sterili e in generale migliorerebbe la scivolosità di tutto ciò che richiede una superficie idrorepellente.
Il silicio nero sfrutta la tensione superficiale specifica dell'acqua per ridurre al minimo il contatto tra la goccia e la superficie. I coni incisi sul substrato fanno scivolare le gocce d'acqua su uno spazio tra la pellicola d'aria, noto come piastrone. Ma, in modo controintuitivo, lo stesso meccanismo che consente alle superfici idrofobiche di deviare le gocce d'acqua porta anche all'effetto di taglio delineato nell'articolo di Backholm.
“Il campo ha reso queste superfici ultra scivolose riducendo la scala della lunghezza dei coni per renderli più piccoli e più abbondanti. Ma nessuno si è fermato a realizzare: "Ehi, in realtà qui stiamo lavorando contro noi stessi". In realtà, incidere coni più corti sulla superficie di silicio nero porta a un maggiore effetto di taglio dell’aria”, afferma Backholm.
Altri ricercatori hanno notato l'esistenza di questa forza ma non sono riusciti a spiegarla. Le scoperte di Backholm inducono a riconsiderare il modo in cui vengono progettate le superfici ultra scivolose. La soluzione alternativa del suo team è stata quella di aggiungere coni più alti con cappucci strutturati sulla superficie di silicio nero per ridurre ulteriormente la superficie di contatto totale delle goccioline.
“Questo lavoro si basa sulla ricchezza di competenze del gruppo di ricerca Soft Matter and Wetting sul tema delle superfici superidrofobiche. Raramente emerge l’opportunità di spiegare completamente le sottigliezze delle forze microscopiche coinvolte nelle dinamiche di bagnatura, ma questo articolo raggiunge proprio questo obiettivo”, afferma Ras.
Tecnica specializzata
Backholm ha adattato un'esclusiva tecnica di misurazione tramite micropipetta per misurare le forze che agiscono contro le goccioline d'acqua. È un'esperta di questi sensori di forza a micropipetta, avendoli utilizzati per misurare le dinamiche di crescita delle radici delle piante, il comportamento di nuoto degli sciami di gamberetti mesoscopici e ora osservando le forze nel movimento delle goccioline d'acqua.
Attraverso un'ardua messa a punto, è stata in grado di utilizzare questa tecnica per fare un passo avanti nell'identificazione dell'effetto di taglio. Backholm fece oscillare la gocciolina e la sonda per rilevare le forze sottili che si muovevano al di sotto.
“Abbiamo anche escluso la possibilità che ci siano altre forze in gioco sulla linea di contatto eseguendo questi stessi test su goccioline gassate. Quelle goccioline rilasciano costantemente anidride carbonica, facendole levitare leggermente sopra le superfici su cui siedono. Nonostante ciò, l’effetto di taglio è stato misurato a determinate velocità, confermando infine che questa forza agisce indipendentemente dal contatto con la superficie di silicio nero”, afferma Backholm.
Backholm prevede che questi risultati consentiranno ulteriormente a fisici e ingegneri di sviluppare superfici idrofobiche con prestazioni migliori.