Materiali nanostrutturati con proprietà antiappannanti

Rinaldo Cervellati.

La nebbia è il fenomeno meteorologico per cui l’umidità dell’aria, a contatto con particelle solide o liquide (aerosol atmosferico) si condensa in microscopiche o submicroscopiche gocce di acqua liquida. A causa della diffusione della luce solare o artificiale la nebbia appare più o meno come un fitto alone opaco che riduce la visibilità fino anche a pochi metri, diventando così molto pericolosa. Il problema si complica perché la nebbia può ulteriormente condensare incontrando superfici come i parabrezza degli autoveicoli, compresi i vetri delle cabine degli aerei.

A questi inconvenienti si è tentato di ovviare rivestendo queste superfici con materiali trasparenti idrofobici, tuttavia anche l’utilizzo di materiali superidrofobici a struttura scabra si è rivelato insufficiente a evitare la condensazione delle goccioline più fini di nebbia che scivolano fra le scabrosità, accumulandosi in gocce più grandi fino a formare rivoli d’acqua.

Nella grande classe degli artropodi si posso individuare particolari tessuti dotati di proprietà essenziali per la loro sopravvivenza. Gli occhi antiriflesso delle zanzare e le ali impermeabili e autopulenti delle cicale ne sono un esempio (Fig. 1).

 

Guidati da questi esempi naturali, il gruppo di ricercatori guidati dal Prof. David Quéré di ESPCI (École supérieure de physique et de chimie industrielles, Parigi) ha recentemente intrapreso una ricerca sistematica per la progettazione di superfici idrofobiche nanostruttrate che superano il problema dell’appannamento.

La ricerca, riportata da c&en newsletter del 13 marzo, è pubblicata on line su Nature Materials:

  1. Mouterde et al., Antifogging abilities of model nanotextures, Nat. Mat., 2017 DOI: 10.1038/nmat4868

Poiché l’idrorepellenza dipende da dimensioni e forma delle scabrosità della superficie, i ricercatori hanno usato una tecnica laser per realizzare modelli nanostruttrati di forma e dimensioni diverse in base alle condizioni di esperienza. Sono state realizzate matrici con strutture a cilindri, piloni, coni e vari altri tipi di nanoprotuberanze. Anche la disposizione delle protuberanze è stata presa in esame, a reticolo quadrato, romboidale. Le matrici sono film sottili del copolimero polistirene-poli metil metacrilato, il tutto rivestito infine con i gruppi idrofobici di clorosilano fluorurati. Per dare un’idea delle dimensioni di una struttura a nanoconi, l’altezza dei coni è 115 nm e la distanza fra essi è 52 nm (Fig. 3 sinistra).

Il gruppo di ricerca ha poi sottoposto questi modelli a esperimenti in atmosfera che riproduce in modo realistico la formazione di rugiada. Queste condizioni sono state mantenute costanti per 45 minuti scattando una foto ogni 2 secondi al microscopio inverso. L’analisi statistica dei risultati ha mostrato che dimensioni e forma sono determinanti per l’insorgenza dell’idrorepellenza. Tuttavia la performance largamente migliore è stata realizzata dalla matrice a nanoconi. Infatti la loro forma e impacchettamento fanno si che gocce che arrivano fra le basi dei coni vengono talmente strette da generare una pressione che le fa schizzare via (Fig. 3 destra).

Notare che le strutture a cilindro e nanoconi riproducono quelle degli occhi di zanzara e delle ali di cicala rispettivamente.

Gli autori dicono comunque che l‘ottima prestazione dei nanoconi deve essere ulteriormente studiata esplorando forme intermedie fra cilindri e coni (effetto forma) e la densità dei coni (effetto dimensioni). D’altro canto l’eiezione delle gocce all’esterno della matrice pone interessanti problemi di fluidodinamica.

Certamente il tasso di espulsione di gocce d’acqua di dimensioni inferiori anche a 2μm riscontrati in questo lavoro è talmente più grande di quanto osservato in precedenza, ciò potrebbe già aiutare gli ingegneri a progettare più efficienti parabrezza antiappannamento, specchi, e celle solari.

Chi gli ha dato il nome? Wilhelmy.

a cura di Claudio Della Volpe

La bilancia è un dispositivo basilare nel laboratorio del chimico; da quando Lavoisier ha iniziato a porre il problema di risultati quantitativi la superiorità dello strumento bilancia in laboratorio non è mai venuto meno; la qualità, la precisione e la versatilità delle bilance moderne han fatto il resto.

Gli usi delle bilance sono quindi divenuti innumerevoli; il caso di cui vi parlo oggi è quello di una bilancia meno conosciuta delle altre, ma non per questo meno interessante; si tratta di una bilancia che serve a stabilire il grado di bagnabilità di una superficie, ossia la bilancia di Wilhelmy.

Ludwig Ferdinand Wilhelmy

Ludwig Ferdinand Wilhelmy

Ludwig Ferdinand Wilhelmy nacque il giorno di Natale 1812 in Pomerania, a Stargard, attualmente Polonia, e andò poi a studiare farmacia a Berlino. Tornò a lavorare in farmacia col padre finchè nel 1843 il suo desiderio di occuparsi di ricerca non la vinse ed egli tornò a studiare ricevendo il suo dottorato nel 1846 ad Heidelberg discutendo una tesi sul calore come misura della coesione dei corpi.

Rimase in effetti uno scienziato dilettante, e la gran parte dei suoi lavori fu svolta non all’università, dove rimase come docente solo pochi anni, ma nella sua abitazione personale, una villa riadattata a laboratorio; fu anche un membro rispettato della Società di Fisica, che aveva fondato con Magnus a Berlino. Alla pari di Paul du Bois-Reymond, Clausius, Helmholtz e Werner Siemens fu uno degli scienziati di punta della giovane chimica-fisica europea.

wilh1863Il suo lavoro più famoso fu pubblicato nel 1850 e riguardava la cinetica di inversione del saccarosio, un esperimento classico che molti di noi hanno ripetuto in laboratorio eseguendolo come lui fece attraverso un polarimetro; ma Wilhelmy fece di più perchè introdusse il concetto di velocità di reazione, cioè non solo realizzò l’esperimento nel modo giusto ma lo interpretò (o almeno iniziò a farlo) secondo i criteri che noi oggi usiamo; tuttavia il suo ruolo nello sviluppo di una moderna concezione della catalisi fu misconosciuto per 30 anni e fu rivendicato solo da Wilhelm Ostwald nella sua Nobel Lecture nel 1909, riconoscendogli quel primato che il suo anticipo sui tempi di sviluppo della chimica fisica gli aveva inizialmente negato.

Nel 1863 pubblicò il lavoro, che presentava la tecnica di misura della tensione superficiale che usa la bilancia; l’idea di base è di sfruttare l’equilibrio fra le forze che agiscono all’interfaccia liquido-solido-gas, ossia il peso del corpo, la spinta di galleggiamento della parte immersa e la tensione superficiale, o se volete il peso del menisco liquido.

la situazione fisica del menisco nell'esperimento di W.

la situazione fisica del menisco nell’esperimento di W.

La tecnica si può usare sia per misurare la tensione superficiale che l’angolo di contatto e perfino per determinare il perimetro di fibre molto sottili e di sezione irregolare; e in effetti la sua diffusione nel campo degli studi di superficie e l’uso in particolare nel caso dei film di Langmuir-Blodgett, dove costituisce lo strumento principe per monitorare lo stato del film ottenuto (è l’elemento di misura del cosiddetto “trough”), hanno fatto si che essa sia spesso chiamata bilancia di Langmuir, a causa della vasta diffusione di studi su questo soggetto, seppure occorre dire che i dettagli dei due strumenti siano leggermente diversi.

Più comunemente la bilancia di Wilhelmy viene usata per misurare la bagnabilità dei corpi oppure la tensione superficiale delle soluzioni, per esempio di tensioattivo.

L’invenzione originale di Wilhelmy si è potuta sviluppare al suo livello attuale di sofisticazione solo dopo la messa a punto di strumenti di misura della massa dei corpi molto sensibili, le cosidette microbilance, in grado di misurare anche una frazione di microgrammo, e soprattutto dopo lo sviluppo del computer che costituisce lo strumento di base in grado di leggere sicuramente e velocemente il valore della forza F, mentre un motore privo di vibrazioni spinge verso l’alto o verso il basso il liquido testato ad una velocità bassa e costante, che non modifichi in modo sensibile la forma del menisco a contatto con il campione.

Le problematiche a questo riguardo sono molteplici: per esempio si possono testare corpi con forme geometriche anche complesse, come le lenti intraoculari o i cateteri il cui trattamento superficiale deve rispondere a criteri molto precisi per svolgere opportunamente il proprio ruolo di dispositivo biomedico.

A questo riguardo occorre ricordare la figura di Lee Cahn, un ingegnere che è stato l’inventore di molti dei più moderni aspetti dell’elettrobilancia come noi oggi la conosciamo. L’elettrobilancia funziona sulla base del principio che i due bracci sono all’equilibrio per l’effetto di forze di tipo elettromagnetico e viene costantemente monitorata la corrente necessaria a mantenere tale equilibrio se i bracci vengono perturbati; è quindi sempre necessario fare una taratura del sistema prima di usarlo.

Anche i motori necessari al movimento del liquido devono rispondere a requisiti di bassissima vibrazione.

Tuttavia si puo’ notare una cosa interessante; negli ultimi anni ci si è resi conto che un disturbo vibrazionale, indotto artificialmente, può consentire di far raggiungere al menisco uno stato di equilibrio termodinamico, il che consente di superare la situazione tradizionale, in cui le grandezze legate all’esistenza del menisco sono generalmente caratterizzate in stati metastabili e non di equilibrio, e quindi non equivalenti all’angolo ideale o angolo di Young.

Il settore della bagnabilità e dei film superficiali è in forte sviluppo e davanti all’esperimento di Wilhelmy, dopo 150 anni esatti, c’è ancora un interessante futuro. Personalmente posso dire che dopo 20 anni e più che mi dedico a studiare gli usi e a perfezionare la bilancia di Wilhelmy riesco ancora a scovare applicazioni nuove e a cui nessuno aveva mai pensato o nuove modalità di funzionamento.

pauli

W.Pauli

D’altronde non ci si puo’ stupire di questo, se perfino Wolfgang Pauli ebbe a dire:

 “God made solids, but surfaces were the work of the devil”.

Per approfondire:

-Wilhelmy L. Ann. Phys. 1863 119 177

-Lord Rayleigh Philos. Mag. 1899 48 (ser.5) 321

-Wilhelmy L. “Ueber das Gesetz, nach welchem die Einwirkung der Säuren auf den Rohrzucker stattfindet,” in Annalen der Physik und Chemie,81 (1850), 413–433, 499–526

-Ralph H. Müller- Lee Cahn, Inventor, Extended Uses of the Electrobalance Principle Anal. Chem., 1967, 39 (12), pp 121A–121A

-W. Ostwald, Nobel Lecture, “On Catalysis” December 12, 1909

-http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1909/ostwald-lecture.html?print=1

-http://www.encyclopedia.com/doc/1G2-2830904658.html-http://en.wikipedia.org/wiki/Langmuir%E2%80%93Blodgett_trough e la bibliografia ivi contenuta