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Anno 6 Numero 287

Le gocce fachiro

Dalle foglie del fior di loto alle superfici artificiali che non si sporcano: la formula dell’idrorepellenza

Numeri. Formule matematiche. Figure geometriche. Corpi solidi. Ovunque si nascondono in natura. Parafrasando infatti il giovane genio matematico protagonista del film di Darren Aronofsky, Pi Greco Il Teorema Del Delirio: ogni cosa attorno a noi può essere rappresentata e spiegata attraverso i numeri. «Anche una goccia d’acqua che rotola sulla superficie della foglia del fior di loto».
Lo spiega Antonio DeSimone, che alla Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati di Trieste conduce ricerche nel campo della matematica applicata.
«In natura, le superfici idrorepellenti su scala microscopica sono di solito rugose. Le foglie di alcune piante, come quelle del fior di loto, sono dotate di microasperità dell'altezza di alcuni micron per cui le gocce di pioggia entrano in contatto solo con la sommità delle microasperità e non bagnano le foglie. Queste gocce fachiro – commenta DeSimone - tendono a rotolare invece che aderire o scivolare sulla superficie delle foglie. Una conseguenza della idrorepellenza è che le foglie del fiore di loto sono molto ben protette dall'attacco di liquidi contaminanti».

«L'osservazione delle proprietà di queste foglie – commenta il matematico che ha studiato la rugosità di superfici idrofobe - ha suggerito l'applicazione dello stesso principio per la realizzazione di superfici artificiali super-idrorepellenti. È possibile infatti rendere rugoso un oggetto liscio e modificare il modo in cui l’acqua si comporta a contatto della superficie. Esistono in commercio, per esempio, vernici che usando questo principio rendono resistenti allo sporco le facciate degli edifici e tessuti che non si bagnano nè sporcano. E una sfida tecnologica di grande attualità è la fabbricazione di materiali allo stesso tempo trasparenti e super-idrorepellenti, per realizzare ad esempio lenti che non si appannano. Nell'ambito di questa linea di ricerca, grazie a una collaborazione tra MIT e Università di Cambridge, sono stati recentemente fabbricati dei prati di nanotubi di carbonio, allineati verticalmente, e ricoperti di Teflon».

Ma cosa determina il rotolamento delle gocce d’acqua sulle superfici super-idrorepellenti? «Le gocce di acqua su queste superfici artificiali – chiarisce DeSimone - mostrano angoli di contatto prossimi a 180 gradi, si comportano cioè come se fossero biglie di vetro. La dinamica delle gocce è sorprendente: rotolano e rimbalzano su di esse, comportandosi come se fossero dei solidi deformabili invece che dei liquidi».

Quando la rugosità della superficie è zero (superficie liscia) l’ampiezza dell’angolo di contatto è piccola. All’aumentare, entro una certa soglia della rugosità, aumenta l’ampiezza dell’isteresi dell’angolo: questo significa che le gocce aderiscono alla superficie. Superata poi la soglia critica di rugosità le gocce rotolano: l’isteresi è molto piccola e le gocce non si attaccano.
«Noi abbiamo dimostrato – ribadisce DeSimone – come l’isteresi dell’angolo di contatto sia influenzato dalla rugosità della superficie. Chiamiamo isteresi l’ampiezza dell’intervallo dei possibili angoli di contatto tra il liquido e la superficie. Più acuto è l’angolo maggiore risulta la bagnabilità della superficie, mentre a un angolo ottuso corrisponde una bagnabilità molto bassa». DeSimone e colleghi hanno riscontrato che all’iniziale aumento della rugosità corrisponde una maggiore adesione delle gocce alla superficie, mentre all’ulteriore aumento della rugosità l’adesione diminuisce.
«La spiegazione di questo fenomeno è semplicissima: quando la rugosità è piccola le gocce aderiscono completamente. Se si supera la soglia critica di rugosità, la goccia resta attaccata solo alla sommità e quindi rotola: diminuisce cioè l’area di contatto. La rugosità della superficie non consente un contatto completo della goccia con la superficie, e il contatto tra il solido e il liquido risulta ridotto a causa della morfologia della superficie stessa». Su una superficie liscia al contrario si riscontra adesione completa.

Antonio DeSimone è professore di Scienza delle costruzioni alla SISSA, nello staff del settore di Analisi funzionale della Scuola di eccellenza di Trieste dal 2002. Dopo la laurea in Ingegneria civile conseguita all’Università Federico II di Napoli e il titolo di dottore di ricerca in Meccanica, all’Università del Minnesota, DeSimone è stato ricercatore all’ateneo romano Tor Vergata per poi dirigere il gruppo di ricerca Multiscale Phenomena in Materials al Max Planck Institute for Mathematics in the Sciences di Lipsia.

Per saperne di più:
A. DeSimone, N. Grunewald e F. Otto, “A new model for contact angle hysteresis”. Networks and Heterogeneous Media, vol. 2, pp. 211{225 (2007).

Ufficio Comunicazione SISSA
Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati

Simona Regina

Trieste, 10 ottobre 2007