La superficie stampata in 3D aiuta i ricercatori a impedire le filigrane
Probabilmente hai provato la frustrazione di prepararti a una bella cena solo per renderti conto che tutti i tuoi bicchieri puliti hanno strisce sporche o punti bianchi sulla superficie. In realtà non sono sporchi: le macchie sono solo filigrane, che si verificano quando le goccioline evaporano da una superficie solida. Di certo non sono belli, ed è per questo che così tante marche di sapone per piatti promettono “bicchieri senza strisce!” Spesso non è così, purtroppo – il modo in cui le filigrane appaiono sulle superfici è incontrollabile perché la forma e la posizione di una goccia che evapora è imprevedibile.
Questo è problematico quando si tratta di qualcosa di più della semplice cristalleria. Nella stampa a getto d’inchiostro, una goccia di inchiostro vagante può lasciare una forma distorta su un pezzo di carta e, in microingegneria, le filigrane possono influire sulle prestazioni delle microstrutture delicate.
Ma ora, per la prima volta, i ricercatori dello Smart Materials and Surfaces Laboratory della Northumbria University e della Open School School of Mathematics and Statistics hanno scoperto un modo per controllare la forma e la posizione di una goccia di essiccazione. Tipicamente, quando una goccia evapora da una superficie solida, il suo bordo “spilla” e “depone” in modo incontrollato, a causa della microscopica ruvidità della superficie solida. Ma in questo caso, i ricercatori sono stati in grado di controllare il modo in cui le goccioline si sono asciugate attraverso una combinazione di geometria solida ondulata e un trattamento superficiale ultra-liscio. Chiamano il modo controllato di evaporazione “evaporazione improvvisa”.
“Un portauovo è un esempio di un solido ondulato: ha ripetuti picchi e valli che formano un motivo ondulato”, ha affermato il dott. Gary Wells, docente presso l’Università di Northumbria. “Abbiamo stampato in 3D un motivo ondulato e coperto la sua superficie ruvida con uno strato di lubrificante sottile. La superficie composita risultante mantiene la forma ondulata, ma diventa ‘ultra-liscia’. Quando lasciavamo evaporare le gocce d’acqua su queste superfici ondulate, inizialmente si ritiravano dal solido in modo uniforme, come ci si aspetterebbe da un solido perfettamente liscio. Tuttavia, la superficie ondulata fa “scattare” le goccioline in punti specifici, cambiando il loro posizione e forma. Questa è una nuova modalità di evaporazione, che abbiamo chiamato “evaporazione rapida”. Sorprendentemente, questo processo è altamente riproducibile e abbiamo scoperto che il design effettivo del modello ondulato può controllare la posizione e la forma della goccia. ”
La ragione del comportamento dello snap può essere spiegata dalla teoria della biforcazione, una branca della matematica che studia come un sistema risponde a un cambiamento in un parametro di controllo. In questo caso, il sistema è la goccia e il cambiamento nel parametro di controllo è la riduzione della massa dovuta all’evaporazione.
“L’idea principale alla base della nostra teoria è che la configurazione secondo cui una goccia assume un andamento ondulato solido non è unica”, ha affermato il dott. Marc Pradas, docente presso la Open University. “Ci sono diverse forme e posizioni che la stessa quantità di liquido può occupare su un determinato profilo ondulato. “Durante l’evaporazione, la massa di una goccia cambia e si scopre che la forma e la posizione di una goccia stabile diventano instabili. A questo punto, che è noto come biforcazione, la goccia deve cambiare forma e posizione. La superficie ondulata agisce come un volante, guidando la goccia alla successiva configurazione stabile dopo che si è verificato uno snap. ”
I ricercatori hanno anche preso ispirazione dalla pianta del lanciatore, che ha una superficie super-liscia che consente agli insetti di scivolare e rimanere intrappolati. Creavano una superficie liscia e lubrificata che impediva alle goccioline di “bloccarsi” come farebbero con una normale superficie ruvida. Puoi leggere di più sui dettagli del processo qui .
La ricerca potrebbe avere un impatto su molte applicazioni. L’industria automobilistica, ad esempio, potrebbe trattare le superfici delle auto in modo diverso per ridurre al minimo le filigrane e le industrie dei computer e degli smartphone potrebbero migliorare l’efficienza delle micro-heatpipe, che rimuovono il calore dai microprocessori.
“Le implicazioni del nostro studio possono avere un impatto in molte applicazioni di tutti i giorni e stiamo attualmente lavorando con partner industriali che possono trarre beneficio dalle nostre ricerche”, ha affermato Rodrigo Ledesma-Aguilar, professore associato presso la Northumbria University. “Ad esempio, stiamo lavorando con Jaguar Land Rover per sviluppare nuove strategie che riducano al minimo le filigrane sulle superfici delle auto. Un altro esempio è la nostra collaborazione con Sustainable Energy Systems, che può beneficiare dei nostri risultati migliorando l’efficienza dei sistemi di rimozione del calore utilizzati nei microprocessori come CPU e GPU. ”
La ricerca è stata documentata in un documento dal titolo “Snap evaporation of droplets on topographies smooth”, che puoi leggere qui . Gli autori includono Gary G. Wells, Élfego Ruiz-Gutiérrez, Youen Le Lirzin, Anthony Nourry, Bethany V. Orme, Marc Pradas e Rodrigo Ledesma-Aguilar.