Fisica, così la goccia viaggia sull’onda trasversale

Si chiama mechanowetting, ed è un nuovo modo per far muovere le gocce su un piano che potrebbe rivoluzionare il mondo delle superfici autopulenti. L’idea è questa: far surfare le gocce su un’onda. E messa alla prova ha funzionato, riuscendo anche a far arrampicare le gocce su superfici verticali e anche a farle muovere a testa in giù. Questa tecnica meccanica potrebbe fare concorrenza alle superfici autopulenti che già esistono e che si basano sulla superidrofobicità della superficie, ma potrebbe anche essere applicata nei Lab-on-a-chip, laboratori in miniatura che possono trattare volumi di fluidi estremamente piccoli. 

Lo studio è stata appena presentato su Science Advances da un team di ricercatori dell’Università di Groninga guidato da Patrick Onck in collaborazione con l’Istituto di Tecnologia di Eindhoven.

Costruire un’onda trasversale

Per mettere alla prova la loro idea, gli scienziati hanno realizzato un dispositivo meccanico (da cui il termine mechanowetting) che simulasse un’onda trasversale. Si tratta di un fenomeno che si verifica quando le particelle del mezzo in cui si propaga l’onda oscillano perpendicolarmente alla sua direzione, come avviene sulle corde di una chitarra e altri strumenti simili. Il dispositivo è un nastro trasportatore metallico con la superficie scanalata [nella direzione perpendicolare al movimento del nastro] su cui è stato applicato un sottile strato di dimeticone (polidimetilsilossano – Pdms), materiale usato in farmaceutica e come base per i siliconi. Il film di Pdms aderisce al nastro grazie ad una camera a vuoto posta sotto il nastro stesso. La lunghezza d’onda è data dalla distanza fra le scanalature del nastro, l’altezza invece è stabilita dalla pressione, cioè da quanto il Pdms aderisce al nastro, mentre la velocità dell’onda è quella con cui si muove il nastro (nell’esperimento parliamo di circa mezzo centimetro al secondo). Ecco servita la nostra onda trasversale.

Come funziona la fisica delle gocce

Con questo sistema, nonostante il Pdms sia un materiale idrorepellente, le gocce di glicerolo rimangono attaccate al nastro anche quando questo viene inclinato fino a raggiungere la posizione verticale. Com’è possibile? Lo spiega la fisica delle gocce sulle superfici solide, che si chiama bagnatura ed è nota da tempo. Si basa sull’equilibrio fra tre fasi: solida (la superfice), liquida (la goccia) e gassosa (l’aria intorno alla goccia).

Quando tra la goccia e la superficie solida prevalgono le forze di adesione, la goccia assume una forma più schiacciata e rimane attaccata al nastro. Se, invece, vincono le forze di coesione all’interno della goccia, questa assumerà una forma più sferica e la superficie sarà idrofobica.

Nel caso dell’onda trasversale mobile, la topografia aumenta la superficie di contatto fra onda e goccia facendo sì che questa rimanga attaccata alla superficie anche se questa è verticale, e persino sottosopra. I ricercatori hanno realizzato una simulazione che si accorda perfettamente con l’esperimento.

I Lab-on-a-chip

Nonostante le evidenti limitazioni del sistema (è stato realizzato uno dispositivo meccanico ad hoc) si aprono interessanti prospettive. I moderni strumenti per lo spostamento di micro fluidi si basano sull’applicazione di campi elettrici che però potrebbero alterare le proprietà biochimiche del liquido che si vuole analizzare. Il problema non si pone con questa tecnica meccanica, il che la rende adatta ai Lab-on-a-chip, laboratori non più grandi di una carta di credito in cui è possibile fare numerosi test senza bisogno di un vero e proprio laboratorio analisi.

Per il futuro, invece, il gruppo di Onck guarda a nuove possibilità: “Ci sono materiali fotosensibili che possono creare onde”, ha spiegato il ricercatore, “e abbiamo simulazioni che dimostrano che la bagnatura meccanica potrebbe funzionare anche con questi materiali”. Un’altra possibile applicazione esplorata dagli scienziati sono le superfici autopulenti. Quelle che esistono oggi si basano sulla superidrofobicità della superficie: le gocce scivolano a caso trascinando via lo sporco. Nel caso della bagnatura meccanica assorbono le particelle di polvere su un percorso controllato lasciando dietro di sé una chiara scia pulita.

Riferimenti: Science Advances