Big idea: Forze ed interazioni – superfici solido liquido “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.”
Tuttavia non si tratta di riportare semplicemente tutto ad una scala diversa, è il quadro fisico di riferimento ad essere differente e il massiccio coinvolgimento delle forze atomiche nel determinare il comportamento finale del sistema.
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.

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

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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