Dalla Stampa 3D ai Liquidi Direzionali: Come i Difetti Diventano Funzionali

Questo articolo esplora un rivoluzionario approccio alla manipolazione della diffusione dei liquidi. Tradizionalmente, si credeva che la direzione di diffusione dei liquidi fosse dettata dal design delle superfici e che non potesse essere facilmente adattata. Tuttavia, la recente ricerca descritta nell’articolo rivela come l’uso strategico dei difetti prodotti dalla stampa 3D possa consentire una regolazione flessibile della diffusione dei liquidi. In pratica, questo significa che i liquidi con diverse tensioni superficiali possono essere indirizzati a seguire percorsi differenti sulla stessa superficie. Questo rivoluzionario approccio apre nuove possibilità per la progettazione di superfici e la manipolazione dei liquidi, con potenziali applicazioni in una vasta gamma di campi, dalla produzione industriale alla scienza dei materiali.
Trasformare i rifiuti in tesori: la struttura di secondo livello è importante per regolare le dinamiche di diffusione dei liquidi
  
La comprensione convenzionale sostiene che la direzione di diffusione di liquidi con proprietà diverse dipende dal design delle superfici e non può essere adattata. Tuttavia, un recente lavoro pubblicato su Science ha dimostrato che è possibile fare in modo che liquidi con diverse tensioni superficiali scelgano le loro direzioni di diffusione sulla stessa superficie composta da macro cricchetti 3D con doppia curvatura rientrante.

Tuttavia, la fabbricazione di strutture così sofisticate si basa sulla combinazione di stampa 3D e trattamento di lucidatura per eliminare l’inevitabile carenza superficiale simile a microscanalature generata dal processo di stampa strato per strato, che aumenta la complessità della produzione ed è sfavorevole per applicazioni pratiche.

La ricerca, pubblicata sull’International Journal of Extreme Manufacturing , mostra come semplificare la topografia della superficie e il processo di fabbricazione mantenendo contemporaneamente la funzione di sterzo direzionale liquido.

Questo lavoro fornisce una nuova idea di trasformare i rifiuti in tesori. Invece di eliminare il difetto della superficie ruvida della stampa 3D mediante un ulteriore trattamento di lucidatura, il lavoro sfrutta l’apparente carenza per regolare in modo flessibile la mappa della fase di diffusione dei liquidi.

” Fornisce un nuovo design della superficie che è facile da fabbricare o replicare, senza sacrificare la funzione di guida direzionale dei liquidi “, ha affermato Zuankai Wang, professore di cattedra presso il Dipartimento di ingegneria meccanica presso il Politecnico di Hong Kong e corrispondente autore di lo studio. “In sostanza, suggerisce nuove possibilità per utilizzare la parte spesso trascurata o inutile dei materiali per realizzare la funzione desiderata “, ha affermato Jing Sun (postdoc presso la City University di Hong Kong), il primo autore dell’articolo.

Il trasporto direzionale liquido è un fenomeno onnipresente in natura. Molte superfici biologiche, come il dorso dei coleotteri del deserto, la seta dei ragni e il becco degli uccelli, possiedono la capacità di trasportare liquidi in direzione direzionale sfruttando le loro speciali morfologie superficiali o chimiche. Negli ultimi anni, molti ricercatori hanno cercato di imitare questo tipo di movimento liquido mediante il controllo di micro/nanostrutture asimmetriche, gradiente di bagnabilità o input di energia esterna.

Senza eccezione, in tutti gli studi precedenti, i liquidi si trasportano sempre lungo direzioni che riducono l’energia superficiale. Sorge una domanda, se i liquidi possono selezionare la loro direzione di trasporto senza cambiare la struttura della superficie e senza input di energia? Un lavoro scientifico dà la risposta e ha rotto la cognizione tradizionale di oltre 200 anni, i ricercatori hanno scoperto un inaspettato comportamento di trasporto di liquidi sulla foglia di Araucaria , che consiste in cricchetti tridimensionali (3D) con curvature rientranti trasversali e longitudinali, su cui liquidi con basse tensioni superficiali e alte tensioni superficiali si diffondono lungo percorsi opposti.

I sofisticati cricchetti con curvature a doppio rientro possono essere prima fabbricati mediante stampa 3D, tuttavia, il processo di stampa strato per strato comporterebbe un difetto superficiale simile a un microsolco ed è necessario un ulteriore trattamento di lucidatura per levigare la superficie per soddisfare la curvatura progettata , che aumenta la complessità di fabbricazione ed è sfavorevole per l’applicazione pratica.

Come sfruttare il difetto superficiale invece di eliminarlo? Sun et al hanno progettato un cricchetto a doppia scala semplificato che può essere fabbricato mediante la stampa 3D in un solo passaggio. Il cricchetto a doppia scala è caratterizzato macroscopicamente come  un’isola a forma di A con una punta rientrante e microscopicamente ricoperta di microsolchi. Dopo i test, hanno scoperto che i cricchetti a doppia scala semplificati possono realizzare uno sterzo direzionale liquido simile a quello trovato sulla foglia di Araucaria .

La ricerca non è finita qui. ” Siamo curiosi di sapere come e fino a che punto le strutture di microscanalature di secondo livello possano rettificare la dinamica di diffusione dei liquidi, quindi abbiamo preparato cricchetti con microscanalature disposte lungo diversi orientamenti” , ha affermato Sun. Gli esperimenti hanno dimostrato che l’orientamento delle microscanalature gioca effettivamente un ruolo dominante nella regolazione dei liquidi con moderata bagnabilità e che i liquidi potrebbero persino diffondersi in direzioni opposte su cricchetti con microscanalature orientate perpendicolarmente e parallelamente alla direzione di inclinazione del cricchetto.

” Le microscanalature disposte perpendicolarmente alla direzione di ribaltamento del cricchetto fungono da valvola di ritardo per rallentare la diffusione dei liquidi sulla superficie laterale dei cricchetti, mentre le microscanalature parallele alla direzione di ribaltamento del cricchetto favorirebbero la diffusione dei liquidi per traspirazione capillare, quindi il quest’ultimo è più vantaggioso per la diffusione all’indietro dei liquidi “, ha affermato Wang. Hanno anche verificato il ruolo dei microsolchi attraverso l’analisi teorica e la simulazione.

Il team sta anche esplorando il meccanismo più profondo dell’interazione liquido-solido e altre funzioni che i materiali potrebbero svolgere. ” Quello che sappiamo è solo la punta dell’iceberg, strumenti di visualizzazione più avanzati possono essere impiegati per rivelare come le strutture liquide e solide interagiscono nella microscala, oppure possiamo persino introdurre altre funzioni aggiungendo ingredienti diversi ai materiali”, ha affermato il prof . Wang.

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