Lunedì, 16 marzo 2020

Research Highlights: Comprendere il comportamento delle gocce per separare acqua e olio

Pubblicata la ricerca sulla rivista Science Advances

impatto di una goccia d'acqua in olio su una superficie

Non c’è nulla di più semplice di una goccia d’acqua. Eppure, comprendere il comportamento di una goccia su una superficie è ancora una delle sfide scientifiche più complesse e con ricadute tecnologiche più svariate: alcune più tradizionali, legate ai fenomeni di combustione e agli spray, altre sviluppatesi negli ultimi anni, come la stampa 2D e 3D e lo sviluppo di rivestimenti per superfici autopulenti e antighiaccio.

Anche nella vita di tutti i giorni abbiamo a che fare con le gocce: basta osservare i vetri di una finestra, o della nostra auto, in un giorno di pioggia. L’adesione di gocce d’acqua è determinata dal fatto che il vetro è un materiale idrofilico (“a cui piace l’acqua”).  

Quando una goccia d’acqua è contaminata da uno strato esterno di olio, si aprono nuovi scenari. Non appena la goccia impatta su una superficie di vetro, l’acqua scivola sullo strato di olio, che agisce da lubrificante e permette all’acqua stessa di rimbalzare dal vetro, senza aderirvi. Al fenomeno è stato dato il nome di auto-lubrificazione (in inglese, self-lubrication). Questi i risultati della ricerca condotta da un team internazionale di ricercatori, guidato in collaborazione da Carlo Antonini, ricercatore Rita-Levi Montalcini del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università di Milano-Bicocca, e Marie-Jean Thoraval, professore di fluidodinamica della Xi’an Jiaotong University. La ricerca è stata pubblicata su Science Advances (Impact factor 12.8 - 2018 Journal Impact Factor, Journal Citation Reports (Clarivate Analytics, 2019)), rivista online ad accesso libero di AAAS, in un articolo dal titolo “Rebound of self-lubricating compound drops” (doi: 10.1126/sciadv.aay3499).

Selective absorption of oil (red-stained) and repellence of water (blue-stained)

Quali sono le applicazioni di questa ricerca?

Questo lavoro è un esempio di scienza di base inserito però in un progetto più ampio, iniziato nel 2016 quando ero ricercatore presso l’istituto Empa di Zurigo, in Svizzera – spiega Carlo Antonini. - Il progetto è dedicato allo sviluppo di nuovi materiali ultraporosi in cellulosa per la separazione di acqua e olio, attraverso l’assorbimento selettivo di uno dei due liquidi. In una pubblicazione recente (Antonini et al., Nanomaterials 2019, 9(8), 1142; 10.3390/nano9081142), abbiamo mostrato come creare spugne di nanocellulosa capaci di assorbire selettivamente fino a 100 litri di olio per kg di cellulosa. Questi materiali possono essere utili per rimuovere olio o altri liquidi organici eventualmente presenti nell’acqua, e ripulire l’acqua.

 

Quanto ha giovato al progetto una collaborazione internazionale?

Avere una collaborazione internazionale è stato determinante. Il collega Marie-Jean Thoraval della Xi’an Jiaotong University ha messo a disposizione a Xi’an, in Cina, il sistema di ripresa di immagini ad alta velocità e ha sviluppato il sistema per la generazione controllata di gocce di acqua-in-olio, mentre io mi sono concentrato sullo sviluppo del materiale – continua Carlo Antonini. Durante il progetto, ci serviva comparare il comportamento di acqua e olio su un materiale poroso (le spugne di cellulose) con una superficie non porosa: da qui ci siamo accorti dell’inaspettato fenomeno di auto-lubrificazione su vetro. Grazie ad un piccolo progetto finanziato dall’università di Xi’an nel biennio 2017-2019, ho potuto svolgere attività di ricerca direttamente a Xi’an per una decina di giorni l’anno, in modo da avere un confronto diretto con i colleghi ricercatori.

Quali saranno i prossimi sviluppi della ricerca?

La ricerca continuerà per approfondire il comportamento di acqua e olio su materiali porosi. A seguito del mio rientro in Italia nel settembre 2018 come ricercatore Rita Levi Montalcini, sto creando un nuovo laboratorio, SEFI Lab, acronimo di “Surface Engineering and Fluid Interfaces” (Ingegneria delle Superfici e interfacce liquide). L’obiettivo è di continuare a studiare questi fenomeni di interazione tra liquidi e superfici. E sicuramente consolideremo l’efficace collaborazione con l’Università di Xian Jiaotong, con cui abbiamo già riavviato un nuovo piccolo progetto per il biennio 2019-2021.

Video dell'impatto di una goccia di acqua in olio