Gocce d'acqua che fanno il trampolino

Chi viaggerà in aereo nei prossimi mesi potrà assistere a un rituale dell'aviazione invernale in cui si usa un liquido speciale per rimuovere ghiaccio e neve dalle ali prima del decollo. Questa operazione è necessaria perché, in determinate condizioni meteorologiche, le più piccole gocce d'acqua presenti nell'aria possono congelare e diventare ghiaccio quando si depositano sulle ali dell'aereo. Ciò può causare turbolenze nel flusso d'aria durante il decollo e quindi una riduzione della portanza, che può diventare rapidamente pericolosa.

Naturalmente, sarebbe ancora meglio di questo tipo di sbrinamento se le gocce di ghiaccio non aderissero alle ali o venissero addirittura respinte attivamente da esse. In uno studio pubblicato sulla rivista scientifica Nature, i ricercatori di Fare all'ETH hanno dimostrato che in linea di principio è possibile sviluppare materiali praticamente allergici al ghiaccio e all'acqua. In primo luogo, hanno insegnato a piccole gocce d'acqua a saltare su un trampolino.

Forze misteriose

Il professor Dimos Poulikakos dell'ETH e i suoi collaboratori del Laboratorio di Termodinamica nelle Nuove Tecnologie hanno studiato il comportamento delle gocce d'acqua sulle superfici ponendo una goccia di dimensioni millimetriche su una superficie rigida di silicio appositamente lavorata e abbassando poi costantemente la pressione dell'aria nella camera sperimentale mentre una telecamera ad alta velocità riprendeva la goccia. Inizialmente, la gocciolina è rimasta ferma sulla superficie, ma a circa un ventesimo della normale pressione atmosferica è improvvisamente saltata verso l'alto. Dopo un breve salto, la goccia è atterrata di nuovo sulla superficie ed è saltata di nuovo in alto, ancora più in alto della prima volta. Come un saltatore dal trampolino che guadagna altezza a ogni salto dal tappeto elastico, la goccia d'acqua veniva spinta sempre più in alto a ogni contatto con la superficie, pur essendo assolutamente rigida. Ciò che al profano sembra magia, all'esperto appare inizialmente come una presunta violazione delle leggi fisiche fondamentali, secondo le quali un corpo che colpisce una superficie rigida non può in realtà guadagnare spontaneamente energia cinetica e quindi rimbalzare più in alto. Ma questo è esattamente ciò che sembra accadere con la goccia d'acqua che fa da trampolino.

Gocciolina con propulsione a razzo

Per capire da dove provenisse la forza che spingeva le gocce d'acqua, Poulikakos e i suoi post-dottorandi Tom Schutzius e Stefan Jung hanno analizzato in dettaglio i movimenti della goccia e, utilizzando una termocamera, la distribuzione della temperatura al suo interno. Gli scienziati dell'ETH, che negli ultimi anni hanno già svelato alcuni dei misteri delle gocce d'acqua, hanno ora scoperto che l'interazione tra l'evaporazione naturale dell'acqua e la microstruttura della superficie del materiale gioca un ruolo decisivo nel fenomeno del trampolino. L'eccesso di pressione creato dalla vaporizzazione tra la superficie e la goccia spinge quest'ultima verso l'alto come una molla a ogni impatto.

Quando una goccia d'acqua raffreddata a molto meno di zero gradi ("superraffreddata") si congela, l'effetto di evaporazione viene ulteriormente intensificato dalla cosiddetta recalescenza. Questo effetto è noto nella lavorazione dei metalli, ad esempio nel caso del ferro forgiato, che durante il raffreddamento si riscalda brevemente fino a diventare rosso. Questo perché l'interno del ferro si solidifica e rilascia calore latente nel processo.

Qualcosa di molto simile accade con una goccia d'acqua: una goccia che si raffredda al di sotto del punto di congelamento a causa dell'evaporazione dell'acqua sulla sua superficie forma inizialmente dei cristalli di ghiaccio. Il calore rilasciato durante questa transizione di fase da liquido a solido riscalda rapidamente la goccia fino a zero gradi. "Questo riscaldamento avviene in pochi millisecondi", spiega Schutzius, "e porta a una vaporizzazione esplosiva". La goccia si raffredda di nuovo e il ciclo si ripete. La vaporizzazione esplosiva porta a una sovrappressione ancora maggiore tra la goccia e la superficie, facendola decollare come un razzo.

Design intelligente delle superfici

Il vero trucco, tuttavia, sta nella superficie stessa: Da un lato, deve essere ruvida in modo che le gocce d'acqua non vi si attacchino, ma dall'altro non deve essere troppo ruvida, altrimenti il vapore acqueo sfuggirebbe troppo rapidamente attraverso i pori e le fessure della superficie e l'effetto razzo svanirebbe letteralmente. Le superfici di silicio microstrutturate prodotte dai ricercatori di Fare ricerca all'ETH soddisfano proprio queste condizioni: Sono costituite da piccoli pilastri (delle dimensioni di pochi micrometri) che sono regolarmente distanziati a intervalli di circa cinque micrometri.

"Dai risultati di ricerca possiamo dedurre come le superfici debbano essere progettate in generale per respingere vigorosamente l'acqua e il ghiaccio, e quindi progettarle di conseguenza", spiega Poulikakos. Nel loro esperimento, i ricercatori hanno analizzato diversi materiali, tra cui alluminio trattato in superficie e nanotubi di carbonio.

Per rendere il meccanismo del trampolino ancora più pratico, sarebbe ovviamente necessario arrivare a farlo funzionare anche alla normale pressione dell'aria. Poulikakos e i suoi collaboratori sperano di fare progressi in questa direzione nei prossimi anni. A quel punto sarebbe concepibile un'ampia gamma di applicazioni, che vanno dalle linee elettriche ad alta tensione senza ghiaccio alle superfici stradali idrorepellenti e antighiaccio, e forse un giorno renderebbe superfluo lo sghiacciamento delle ali degli aerei.