Superfici nanostrutturate e nanotribologia


Big idea “Alla nanoscala assistiamo ad una diversa gerarchia delle forze tra i corpi. Il rapporto esaltato tra superficie e volume rende dominanti le forze elettromagnetiche ed intermolecolari rispetto alla gravità.”

L’attrito è un fenomeno che gioca un ruolo fondamentale nella vita di tutti i giorni e nella economia globale: approssimativamente un terzo del consumo delle risorse energetiche mondiali attuali è riconducibile in qualche forma all’attrito. Lo studio dei fenomeni alla nanoscala ed in particolare il proliferare di sonde, soprattutto microscopi che fanno uso di una punta (STM, AFM) ha aperto una nuova prospettiva su questo fenomeno complesso. Tuttavia non si tratta di riportare semplicemente tutto ad una scala diversa, è il quadro fisico di riferimento ad essere differente. Ciò che soprattutto distingue la nanotribologia dalla tribologia è il massiccio coinvolgimento delle forze atomiche nel determinare il comportamento finale del sistema.

Superfici nanostrutturate

Prendendo spunto dagli effetti spettacolari esibiti dalle superfici superidrofobiche e superadesive, vengono qui offerti sia semplici esperimenti dimostrativi, sia studi quantitativi del comportamento di vari tipi di superfici nanostrutturate con un occhio alle loro applicazioni attuali e futuribili.

I laboratori

Caratteristiche

1 – Superfici superidrofobiche: angolo di contatto

In questa attività viene introdotto l’effetto Lotus , tipico delle superfici superidrofobiche , caratterizzate da una particolare topografia alla nanoscala. L’angolo di contatto di una goccia d’acqua su diversi materiali fornisce informazioni importanti sulle interazioni di superficie . Gli angoli possono essere stimati tramite immagini digitali giungendo così ad una classificazione delle superfici da superidrofobiche a superidrofile.

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2 – Superfici superidrofobiche: angolo di rotolamento e coefficiente di attrito

Una classificazione delle superfici a seconda del loro grado di idrofobicità è possibile anche tramite l’ angolo di rotolamento. Sfruttando un piano inclinato su cui sono poste le superfici in esame è possibile confrontare i diversi coefficienti d’attrito.

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3 -Superfici superidrofobiche: il coefficiente di restituzione

Esiste un terzo parametro per caratterizzare le superfici: si tratta del coefficiente di restituzione . In alcune applicazioni è infatti fondamentale che le gocce di liquido rimbalzino sulla superficie. La superidrofobicità indotta aumenta l’elasticità dell’urto ed incrementa tale coefficiente.

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4 – Liquid marbles e microfluidica

La progressiva miniaturizzazione dei processi di analisi chimica – “lab on a chip” – parallelamente ai molti vantaggi, comporta anche alcuni problemi non banali proprio perchè basata sulla manipolazione di volumi estremamente ridotti di liquido. Mettere in movimento gocce di dimensioni molto piccole richiede infatti forze notevoli e spesso si hanno perdite di fluido durante il moto. Tradizionalmente ci si basa su dispositivi microfluidici dotati di sottilissimi canali, ma recentemente si sta facendo strada la tendenza a manipolare singole gocce di liquido incapsulate in polveri superidrofobiche (“liquid marbles”), il cui comportamento, relativamente all’attrito, è decisamente controintuitivo.

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5 – Liquid marbles come sensori di gas

Le biglie liquide vengono studiate principalmente per le loro proprietà di trasporto ma si sta ora pensando di utilizzarle anche come sensori di gas . Infatti i gas, a differenza dei liquidi, sono in grado di penetrare e diffondere attraverso il guscio di polvere superidrofobica .

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6 – Rivestimenti superidrofobici in acqua e “drag reduction”

Nei laboratori precedenti si è studiato il moto di gocce su substrati solidi superidrofobici e quello di soft solids superidrofobici su superfici solide. In entrambi i casi si è registrata una diminuzione dell’adesione e dell’attrito. Questo ci autorizza a supporre che il moto di una superficie superidrofobica in un liquido presenti anch’esso un analogo fenomeno? Se ciò risultasse vero rivestimenti superidrofobici e costumi superidrofobici potrebbero aumentare la idrodinamicità di scafi e nuotatori. Ma se così non fosse?

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7 – Il segreto del geco

Il geco ha da sempre dimostrato una abilità incredibile nell’arrampicarsi su per pareti verticali perfettamente lisce o rimanendo appeso al soffitto a testa.
Il segreto sono le zampe coperte da milioni di peli microscopici ciascuno a sua volta suddiviso in centinaia di punte di dimensioni nanometriche. Le forze di Van der Waals sono responsabili dell’adesione. I ricercatori hanno copiato tale meccanismo riuscendo a produrre nastri adesivi ad effetto geco.

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NANOLAB è …

laboratori didattici divisi in quattro aree, corredati da videoguide, schede e approfondimenti, per introdurre le nanoscienze nel laboratorio scolastico.
corsi di formazione e kit formativo per permettere agli insegnanti di riprodurre gli esperimenti in aula.
seminari divulgativi tenuti da ricercatori per esporre le attuali prospettive nel campo delle nanoscienze e contestualizzare i laboratori didattici.

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Guido Goldoni insegna Fisica della Materia all’Università di Modena e Reggio Emilia.

In lingua italiana. Ingresso libero
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Alla scoperta delle nanotecnologie – la fisica alla nanoscala

maggio 10, 2016, 8:00pm

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