Svelare i segreti del moto delle goccioline

Come avviene il movimento delle gocce sulle superfici? Potrebbe sembrare semplice, ma la verità è che gli scienziati non hanno ancora compreso appieno le forze che agiscono su di esse. Gli sforzi recenti volti alla produzione di elettricità dalle gocce in movimento hanno reso fondamentale la necessità di colmare tale lacuna di conoscenza.

Attualmente, un’attività di ricerca sostenuta in parte dal progetto DynaMo, finanziato dall’UE, ha rivelato che il moto di una goccia non è solo condizionato dall’energia superficiale e dall’attrito viscoso, ossia l’attrito tra le singole molecole d’acqua racchiuse nella goccia, come invece ritenuto in passato. Sembra, infatti, che l’elettrostatica svolga a sua volta un ruolo importante. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista «Nature Physics».

«Finora si supponeva che il rivestimento superficiale dettasse la modalità di movimento della gocciolina su una determinata superficie, ovvero per quanto riguarda i primi strati molecolari», spiega l’autore senior dello studio, il prof. Hans-Jürgen Butt dell’Istituto Max Planck per la ricerca sui polimeri, in Germania, in un articolo pubblicato su «Phys.org». Si sapeva che tale processo, abbinato all’attrito viscoso che si verifica all’interno della goccia d’acqua mentre si muove, incideva sul suo movimento.Un semplice esperimento eseguito dai ricercatori ha dimostrato, però, che non è possibile prevedere con precisione il moto delle gocce basandosi soltanto su queste forze. La prima prova di ciò è scaturita dall’osservazione di diverse velocità medie su superfici con la medesima chimica superficiale, ma con conduttività e spessori differenti del substrato. È stato riscontrato che le gocce d’acqua si muovevano più velocemente sulle superfici d’oro rivestite di un monostrato di pellicole a base di politetrafluoroetilene o teflon rispetto a quelle in biossido di silicio (SiO2) rivestite di perfluoro ottadecil triclorosilano (PFOTS). La seconda prova consisteva nel fatto che le velocità di scorrimento di una serie di gocce su una superficie particolare diventavano dipendenti dal numero di gocce e, pertanto, dalla storia della superficie. Ad esempio, la cinquantesima goccia scivola via più velocemente da una piastra in SiO2 rivestita di PFOTS rispetto alla prima goccia.

Quindi, quale potrebbe essere la forza mancante? «Ho ripreso le gocce su substrati diversi, estraendo i profili relativi a velocità e accelerazione dal loro movimento, calcolando poi le forze già note per calcolare la forza che non avevamo ancora esaminato», afferma la prima autrice dello studio, Xiaomei Li, dottoranda presso l’Istituto Max Planck per la ricerca sui polimeri.

Sulla base delle osservazioni compiute, il gruppo di ricerca è giunto alla conclusione che la forza mancante deve essere l’elettrostatica. La forza calcolata coincide con una forza elettrostatica che avevano descritto in un modello precedente. «Mediante il confronto dei risultati sperimentali con questo modello numerico, possiamo spiegare le traiettorie delle goccioline che precedentemente erano ambigue», osserva il prof. Stefan Weber, che lavora nello stesso istituto.

Quando le goccioline in precedenza neutre scivolano su un isolante, possono caricarsi elettricamente; tuttavia, se ciò accade su un substrato elettricamente conduttivo, la goccia d’acqua restituisce subito la carica al substrato. «La forza elettrostatica, che nessuno aveva preso in considerazione in passato, esercita di conseguenza un’influenza importante: occorre quindi tenerne conto per l’acqua, gli elettroliti acquosi e il glicole etilenico su tutte le superfici idrofobiche analizzate», conclude il prof. Weber.

I risultati dello studio, sostenuto dal progetto DynaMo (Dynamic charging at moving contact lines), potrebbero contribuire a migliorare il controllo del moto delle gocce in un ampio ventaglio di applicazioni, tra cui stampa, microfluidica, gestione idrica e nanogeneratori triboelettrici.

Per maggiori informazioni, consultare:

progetto DynaMo