Tradizionalmente, quando le goccioline liquide entrano in contatto con una superficie, vi si attaccano, si staccano o rimbalzano. Comprendere come le goccioline reagiscono a superfici specifiche è molto importante per sbrinare la pioggia gelata, sviluppare rivestimenti a spruzzo termico di qualità superiore e creare un processo additivo efficace utilizzando metallo fuso.

Ora, un team di ricercatori del MIT ha dimostrato che l'adesione di una goccia congelata può essere controllata regolando le proprietà termiche di una superficie.

La ricerca è stata condotta dal professore associato di ingegneria meccanica del MIT Kripa Varanasi, ex postdoc Jolet de Ruiter e postdoc Dan Soto.

I studio è stato recentemente pubblicato sulla rivista Nature Physics.

"Abbiamo dimostrato per la prima volta che il controllo delle proprietà termiche della superficie controlla il risultato se una goccia congelata si attacca o si stacca da una superficie", ha detto Varanasi.

"Questo approccio è molto importante ovunque le gocce gelate colpiscano una superficie come ghiaccio, spray termici, ecc."

La ricerca potrebbe essere utile nei metodi di stampa 3D che richiedono che le goccioline aderiscano alle superfici in modo che ogni strato stampato aderisca allo strato precedente. Potrebbe impedire che le goccioline congelate si attacchino alle ali degli aerei, alle turbine eoliche e alle linee elettriche e sarebbe utile anche nella gestione dei rifiuti e nella pulizia dei processi di produzione additiva e di spruzzatura termica.

Nello studio, i ricercatori hanno testato il modo in cui le gocce di metallo fuso si congelano su vetro e silicio.

Hanno utilizzato “una telecamera a infrarossi ad alta velocità per registrare l’impronta della temperatura nell’interfaccia tra i due corpi durante l’impatto”, secondo Varanasi.

Dallo studio, il team “ha trovato qualcosa di molto interessante”, ha detto Varanasi una dichiarazione.

"Avevamo due substrati che avevano proprietà bagnanti simili [la tendenza a distendersi o a formarsi su una superficie] ma proprietà termiche diverse."

Sebbene vada contro il pensiero convenzionale, il modo in cui le goccioline interagivano con le superfici era drasticamente diverso, a seconda della natura della superficie. Sul silicio, che è un efficiente conduttore di calore, le goccioline cadevano subito. Quando le goccioline colpiscono il vetro, noto come isolante termico, si attaccano.

In altri casi, i ricercatori hanno scoperto che le goccioline si arricciavano e si staccavano dalla superficie. Ciò dimostra un processo chiamato auto-peeling.

Lo studio ha offerto ai ricercatori un approccio completamente nuovo per comprendere come un liquido interagisce con le superfici.

"Ci fornisce nuovi strumenti per controllare l'esito di tali interazioni liquido-solido", ha affermato Varanasi in una nota.

Nell'esperimento è stato utilizzato il metallo fuso perché è comunemente utilizzato nei processi industriali, come i rivestimenti a spruzzo termico utilizzati sulle pale delle turbine e su molte altre parti di macchine. Il modo in cui ciascuna goccia aderisce alla superficie delle parti della macchina influisce notevolmente sulla quantità e sull'uniformità del rivestimento a spruzzo termico.

"[Il] modo in cui le goccioline impattano e formano schizzi determina l'integrità del rivestimento stesso", ha affermato Varanasi in una nota.

“Se non è perfetto, può avere un impatto enorme sulle prestazioni del componente, come ad esempio la pala di una turbina. I nostri risultati forniranno una comprensione completamente nuova di quando le cose si bloccano e quando no”.

I ricercatori intendono utilizzare le informazioni raccolte da questo studio per sviluppare un modo per personalizzare le proprietà termiche di un materiale.

"Possiamo immaginare scenari in cui le proprietà termiche possono essere regolate in tempo reale attraverso campi elettrici o magnetici, consentendo di regolare l'aderenza della superficie alle goccioline che colpiscono", ha affermato Soto in una nota.

In futuro, i ricercatori porteranno avanti questa ricerca per esplorare le proprietà adesive di altri liquidi.

“Ora che abbiamo stabilito un nuovo modo di controllare l’adesione delle goccioline congelate, possiamo immaginare di sfruttare tale conoscenza per progettare substrati intelligenti concentrandoci sulle loro proprietà termiche”. Varanasi ha detto.

“Un’altra direzione che deve ancora essere esplorata è l’estensione di questo fenomeno ad altri liquidi come materiali termoplastici, inchiostri, cera e acqua che presenta grande interesse”.