Approfondimenti sul comportamento di evaporazione delle gocce liquide
Un gruppo di ricerca della Technische Universität Darmstadt ha analizzato in dettaglio il processo di evaporazione di gocce costituite da una miscela di glicerina e acqua, destinata a diventare un riferimento per tecniche basate su deposizione di liquidi, come il 3D printing e il jet ink. I risultati, pubblicati su Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), offrono dati ad alta risoluzione sulla dinamica interna delle gocce senza ricorrere a molecole marcate, garantendo così l’assenza di interferenze nel comportamento naturale del fluido.
Obiettivo dello studio
L’attenzione del team di Darmstadt si è concentrata sul fenomeno noto come “effetto anello di caffè”, ovvero lo spostamento delle particelle verso il bordo della goccia in fase di evaporazione. Tale meccanismo spesso compromette l’uniformità dei rivestimenti e dei depositi nelle applicazioni industriali, provocando disomogeneità che ne diminuiscono le prestazioni. Comprendere i moti convettivi e diffusivi che governano questi trasporti interni è essenziale per regolare con precisione la deposizione di materiali funzionali in processi di manifattura additiva.
Metodologie sperimentali
I ricercatori hanno impiegato due tecniche spettroscopiche in parallelo:
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Risonanza magnetica per immagini (MRI): ha permesso di mappare la distribuzione di concentrazione all’interno di sezioni della goccia, offrendo una visione d’insieme su come glicerina e acqua si dispongano durante la perdita di solvente.
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Spettroscopia Raman confocale: ha fornito misure puntuali ad altissima risoluzione, rivelando i gradienti locali di composizione chimica e consentendo di confrontare i dati spaziali con quelli ottenuti tramite MRI.
Entrambe le tecniche hanno dato risultati coerenti, supportati da modelli numerici esterni che simulano i flussi interni e le variazioni di concentrazione.
Principali risultati
Dagli esperimenti è emerso che:
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All’inizio dell’evaporazione, la componente più volatile (acqua) tende a scomparire più rapidamente dal perimetro della goccia, innescando moti convettivi che trascinano la glicerina verso il bordo.
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La formazione dello strato di glicerina lungo la circonferenza avviene in fasi ben distinte, con variazioni di velocità di trasporto che dipendono dalla temperatura e dall’umidità dell’ambiente.
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Intervenendo sui parametri iniziali — come la concentrazione di glicerina, la dimensione della goccia e le condizioni di flusso d’aria — è possibile modulare l’intensità dell’effetto anello e ottenere profili di essiccazione più uniformi.
Implicazioni per il 3D printing e oltre
Le conclusioni dello studio aprono nuove prospettive per ottimizzare i processi di stampa a base di getto di liquido, in particolare quando è necessario depositare materiali compositi o funzionali con distribuzione omogenea. Inoltre, le misure non invasive potrebbero essere estese a tecnologie di microfluidica, sistemi di raffreddamento a goccia e rivestimenti di precisione, migliorando sia l’affidabilità sia la qualità dei prodotti finiti.
Collaborazione interdisciplinare
L’indagine è stata condotta grazie alla sinergia tra i settori di Scienze dei Materiali e Chimica della TU Darmstadt, valorizzando competenze di fisica sperimentale, analisi spettroscopica e modellazione numerica. Questo approccio integrato garantisce una visione completa dei fenomeni fisico-chimici alla base dell’evaporazione, fondamentale per trasferire le conoscenze dal laboratorio alle linee produttive.
