Nel quotidiano tendiamo a trascurare le forze di superficie rispetto a quelle di volume, ma ciò non è possibile alla nanoscala in virtù dell'elevato rapporto tra la superficie di un corpo e il suo volume.
Partendo dagli effetti spettacolari esibiti dalle superfici superidrofobiche si propongono alcune dimostrazioni e alcuni semplici esperimenti qualitativi che offrono lo spunto per introdurre una delle idee chiave delle nanoscienze: i corpi interagiscono attraverso una molteplicità di forze ma l’impatto relativo di ciascuna di esse varia grandemente con la scala.
Scheda sintetica delle attività
Il percorso proposto porta a riflettere su un aspetto fondamentale delle nanoscienze, rivisitando alcuni dei più classici esperimenti di meccanica: dal moto lungo un piano inclinato, alla caduta di sfere in un liquido viscoso, passando per la palla che rimbalza. In questo modo è possibile integrare e approfondire modelli già presenti nel curriculum inserendoli in un contesto innovativo e di effetto che permette di veicolare in modo semplice e naturale i concetti relativi alla nanoscala.
Si parte analizzando alcuni parametri caratteristici delle superfici: bagnabilità (misurata tramite angolo di contatto), mobilità di una goccia su di una superficie (misurata tramite angolo di rotolamento), capacità di rimbalzo di una goccia su di una superficie (coefficiente di restituzione). Tramite questi parametri si classificano campioni sia naturali che artificiali con particolare attenzione per le superfici superidrofobiche di cui viene evidenziata la struttura.
Successivamente si procede tramite videoanalisi a studiare a) il moto di gocce d'acqua su superfici superidrofobiche; b) il moto di biglie liquide (liquido incapsulato in un guscio di polvere superidrofobica) su superfici comuni; c) il moto di oggetti dotati di superficie superidrofobica in acqua. Lo scopo è valutare se si possono ottenere significative riduzioni dell'attrito.
Risorse necessarie
Acqua;
glicerolo;
pipette Pasteur o contagocce;
colorante alimentare;
bicchieri di cui almeno uno trasparente;
foglie di tipo vario con almeno una delle seguenti tra cavolo, verza, loto,nasturzio;
superfici di materiali vari: vetro, plastica, carta, metallo, parafilm, teflon,..
sabbia magica (reperibile) nei negozi di giocattoli;
campioni di stoffa superidrofobica e/o altri materiali resi superidrofobici tramite spray superidrofobico reperibile nei negozi di articoli sportivi - per la imperneabilizzazione - o di vernici (per proteggere pietre e legno);
spray superidrofobico;
aerogel superidrofobico granulare (o in alternativa fuliggine);
PC o tablet con software di videoanalisi;
videocamera o smartphone;
candela;
goniometro o app protractor per smartphone;
piano inclinato;
cilindro graduato di almeno 60 cm;
2 palline di Natale;
calza di nylon.
Prerequisiti necessari
Saper usare un software di videoanalisi;
conoscere gli elementi base della cinematica e della dinamica;
conoscere la forza di gravità e le forze di coesione;
conoscere la gerarchia tra forze.
Obiettivi di apprendimento
Riflettere sulla gerarchia delle forze nelle interazioni di superficie;
illustrare una delle idee chiave delle nanoscienze, comprendendo che cambiare scala implica cambiamenti di gerarchia tra forze e di conseguenza l’instaurarsi di nuove e diverse proprietà dei materiali;
mostrare alcuni materiali nanostrutturati e alcune applicazioni tecnologiche delle nanoscienze;
rivisitare laboratori “tradizionali” con un occhio alla fisica della nanoscala.
classificare le superfici valutandone le proprietà di idrofobia/idrofilia tramite la misura dell’angolo di contatto (bagnabilità), dell'angolo di rotolamento (mobilità) e il coefficiente di restituzione;
studiare forme di riduzione dell’attrito alla nanoscala;
utilizzare modelli noti (palla che rimbalza) per studiare gocce che cadono su superfici superidrofobiche.
Dotazioni di sicurezza
Quando si polverizza l’aerogel è opportuno l’uso di mascherina antipolvere e di guanti in lattice.
Svolgimento
Passando dalla macro alla nano scala la gerarchia delle forze va totalmente riconsiderata. Alla nanoscala le proprietà degli oggetti sono dominate dalle interazioni di superficie e l'effetto della gravità (forza di volume) è spesso trascurabile. Le forze elettromagnetiche e le forze intermolecolari assumono un ruolo predominante a causa delle dimensioni ridotte e delle piccole masse in gioco, nonché del fatto che gran parte degli atomi e delle molecole è esposta alla superficie. Forze come quelle di Van der Waals, pressoché ignorate alla macroscala, diventano quindi molto importanti.
Rapporto superficie/volume al variare delle dimensioni
Assegnare la rappresentazione su Foglio di calcolo del grafico del rapporto superficie/volume in funzione del lato di un cubo o del raggio di una sfera
Figura 1: Rapporto superficie/volume per un cubo al variare della dimensione del lato.
Chiedere agli studenti di riflettere, analizzando il grafico, su quali possano essere le conseguenze sulla gerarchia tra forze al diminuire della scala. Andrà evidenziato nella discussione che nello scalare le dimensioni NON si riduce tutto in proporzione. Forze di Volume e Forze di Superficie variano secondo leggi profondamente diverse. Da ciò derivano numerosi comportamenti controintuitivi dei sistemi alla nanoscala. In particolare è significativo l’andamento del rapporto superficie/volume che cresce enormemente al diminuire delle dimensioni. Alla nanoscala forze come l’attrito, la tensione superficiale, le forze elettrostatiche e le forze di van der Waals, spesso trascurate, vanno dunque attentamente considerati.
Angolo di contatto
Che forma ha una goccia su di una superficie? Perché gocce di liquidi diversi deposte su substrati identici si comportano diversamente? Perché gocce identiche, depositate su substrati differenti si comportano diversamente?
Figura 2: comportamento di una goccia di liquidi diversi su una superficie
Si tratta del fenomeno detto bagnabilità di una superficie. E’ di grande importanza in diversi processi industriali, dalla stampa all’industria farmaceutica. Il grado di bagnabilità di una superficie è misurato tramite l’angolo di contatto e permette di classificare le superfici fornendo nel contempo informazioni importanti sulle interazioni di superficie.L'angolo di contatto è determinato infatti dal bilanciamento tra forze di adesione e forze di coesione interna del liquido
Tabella 1: classificazione della superficie mediante l'angolo di contatto
L’angolo di contatto permette ad esempio una valutazione del grado di contaminazione di una certa superficie. Questo si vede molto bene passandosi un dito sulla fronte o sul naso dove è sempre presente un po’ di sebo e poi strisciandolo su metà di un vetrino pulito. Si noterà che l’angolo di contatto di una goccia di acqua varia nelle due metà.
In natura esistono superfici superidrofobiche quali le ali di alcune farfalle, foglie di lotus, nasturzio, verza, cavolo, etc. Il diverso grado di idrorepellenza può essere osservato anche nei materiali artificiali, alcuni appositamente strutturati alla micro e nanoscala per raggiungere appunto la superidrofobicità.
Per eseguire la classificazione in laboratorio, procurarsi una serie di campioni sia naturali che artificiali; prendere foglie di cavolo, verza, salvia, lotus, nasturzio e altre foglie di vario tipo. Ritagliare dei quadrati di parafilm, carta cerata, plastica, vetro, carta filtro, alluminio, stoffa, Teflon (pentole antiaderenti), stoffa NanoTex, polvere di aerogel o guaina isolante ricoperta dallo stesso materiale, un barattolo di sabbia magica (si trova nei negozi di giocattoli).
Deporre su ciascun campione una singola goccia di acqua con una pipetta od un contagocce. Scattare una foto della goccia per ciascun campione con lo smartphone e misurare il corrispondente angolo di contatto. Per una miglior riuscita delle foto porsi con l’obiettivo esattamente a livello della separazione goccia/superficie; evitare sia sul bancone che sullo sfondo superfici eccessivamente riflettenti; scegliere un colore di fondo tale da far risaltare la goccia. Se si vuole evitare di stampare la foto si può utilizzare un goniometro tradizionale misurando direttamente da schermo oppure una app goniometro come protractor che permette di sovrapporre goniometro ed immagine.
Stilare una classifica delle varie superfici in base al loro angolo di contatto, come indicato in tabella 1.
Si noterà che i materiali cerosi quali il parafilm pur essendo altamente idrofobici difficilmente producono un angolo di contatto superiore a 120°, mentre ci si riesce ad avvicinare ai 180° con una opportuna nanostrutturazione della superficie grazie a micro e nano asperità create ad hoc. Esse assomigliano a pilastri su doppia o tripla gerarchie. In questo modo il liquido non penetra e la goccia si comporta come un fachiro su un letto di chiodi. Praticamente la goccia risulta sostenuta da un cuscino d’aria. Figura 3: una superficie "fachiro"
Il cuscino d’aria
Che si tratti effettivamente di aria intrappolata tra le asperità a creare la condizione di superidrofobicità puo’ essere provato utilizzando un vetrino da laboratorio annerito alla fiamma di una candela. Lo strato di nerofumo deve essere abbastanza spesso ed il più possibile uniforme. La superidrofobicità può essere provata deponendo una goccia d’acqua sulla superficie di nerofumo una volta che si è raffreddata. Il vetrino viene poi immerso in un bicchiere d’acqua e ruotato lentamente mentre lo si osserva frontalmente (non dall’alto). Ad un certo angolo il vetrino non apparirà più nero bensì argenteo e specchiante. Si tratta di un fenomeno di riflessione totale dovuto al fatto che la luce incidente sul vetrino passa dall’acqua all’aria. Tale fenomeno non risulterebbe spiegabile senza uno strato di minore indice di rifrazione presente tra acqua e vetro. Lo stesso colore argenteo si osserva quando si sparge sabbia magica sul pelo dell’acqua e si spinge delicatamente verso il basso con un dito: questo viene ricoperto da una pellicola di sabbia e si nota un bagliore argenteo dovuto alle bolle d’aria intrappolate tra le asperità dei granuli di sabbia.
Figura 4: riflessione totale di un vetrino ricoperto da nerofumo
Figura 5: colorazione di sabbia sul fondo di un becker
Angolo di rotolamento
E’ possibile inclinare progressivamente la superficie su cui sono posti i campioni ed osservare il comportamento della goccia deposta precedentemente. A questo scopo si misura l’angolo di rotolamento, ovvero l’angolo minimo a cui è necessario inclinare il piano affinché la goccia si stacchi. Esso va misurato immediatamente prima del distacco quando la goccia rotola via. Si può evidenziare come le due classificazioni non necessariamente coincidano e i due angoli forniscano informazioni di diversa natura. L’angolo di rotolamento è infatti un indicatore di mobilità.
Figura 6: esperimento di mobilità su piano inclinato
Normalmente un gocciolina aderisce fortemente alle superfici solide anche se inclinate. Gocce di pioggia millimetriche ad es. rimangono spesso ferme sui vetri verticali delle finestre con problemi sia per la pulizia dei vetri che per la visione. Le tante goccioline diffondono disordinatamente la luce; su di una superficie idrofilica invece l’acqua forma un velo uniforme e sottilissimo attraverso cui la luce passa indisturbata permettendo la visione. Per questo molte superfici antinebbia sono superidrofiliche. Tale adesione è dovuta al fatto che l’angolo di contatto non è costante ma fluttua tra due valori intermedi. L'angolo sul retro è minore dell’angolo davanti. La differenza tra i due (detta isteresi dell’angolo di contatto) può normalmente raggiungere i 50°. Tale differenza produce una forza capillare che si oppone al peso della goccia sul piano inclinato.
Per osservare il fenomeno in laboratorio, prendere una striscia di tessuto superidrofobico (esistono in commercio tovaglie e rivestimenti per divani con tali proprietà) e disporla su di un piano inclinato. Far cadere sulla stoffa gocce di acqua con colorante alimentare (per renderle più visibili). Le gocce sembrano rotolare senza attrito! Per verificarlo è possibile filmare il loro moto e procedere ad uno studio quantitativo tramite videoanalisi (Tracker).
Figura 7: gocce su superficie superidrofobica
Figura 8: moto di una goccia di acqua su una superficie superidrofobica
Il cuscino d’aria tipico della superidrofobicità evidenziato nel primo esperimento fa sì che i difetti di superficie che inchiodavano la goccia siano sostituti da un strato d’aria che omogeneizza il tutto ed aumenta l’angolo di contatto .
Nella vita quotidiana la causa dell'attrito radente è spesso individuata nelle asperità tra superfici a contatto. In realtà se si guarda bene, esso è dovuto soprattutto a fenomeni di adesione tra tali superfici: lastre metalliche lucidate a specchio in condizioni di vuoto spinto possiedono un coefficiente di attrito enorme. Rendere più rugosa una superficie può quindi paradossalmente addirittura ridurne l’attrito. Ciò che soprattutto distingue la nano tribologia dalla macro tribologia è il ruolo dominante delle forze atomiche/di superficie nel determinare il comportamento finale del sistema, che in certi casi appare decisamente controintuitivo.
Biglie liquide
Ci si chiede ora se l’effetto di riduzione dell'attrito cambi se anziché un liquido che rotola su substrato superidrofobico si considera un liquido incapsulato in un involucro superidrofobico che rotola su substrato normale.
Figura 9: biglie liquide su substrato
Utilizziamo dunque le biglie liquide. Per ottenerle si depongono con una siringa gocce d’acqua mista a glicerolo su polvere di aerogel superidrofobico pestato fine in un mortaio (usare la mascherina durante la triturazione). Con l’aiuto una spatolina si fanno delicatamente rotolare nella polvere in modo da risultare incapsulate in uno strato di aerogel. Una alternativa all'aerogel più facile da reperire ma più complicata da usare è la polvere di fuliggine filtrata con un colino in modo da risultare molto fine. La funzione del glicerolo è semplicemente quello di rendere più robuste le gocce ed evitare che si aprano durante il movimento.
Con estrema delicatezza le biglie sono deposte su una superficie a piacere. Il moto delle biglie può essere filmato ed analizzato a vari angoli di inclinazione della superficie.
Figura 10: moto di una biglia liquida su piano inclinato
Figura 11: grafico dello spazio percorso in funzione del tempo per gocce di acqua mista a glicerolo di diversa dimensione
Un parametro interessante da variare è il diametro delle gocce: per far questo servirsi di aghi di diversa dimensione. Si noterà che le gocce più piccole risultano anche essere le più veloci a differenza di quanto accade per le gocce di pioggia sui vetri.
Una interessante applicazione è l’utilizzo delle biglie liquide come sensori di gas.
In questo caso anziché acqua e glicerolo si utilizza infuso di cavolo rosso preparato in precedenza o qualunque altro liquido che reagisca al diverso pH.
La biglia, inizialmente di colore blu, viene inserita in un tubo che attraversa un bicchierino di plastica capovolto. All’ interno del bicchierino è contenuto un piattino con un po’ di ammoniaca. Il tubo ha un foro in alto, in corrispondenza del bicchierino, in modo che i vapori di ammoniaca possano penetrare nel tubo dove passerà la biglia. In uscita la biglia sarà di colore verde segnalando così la presenza del gas nel tubo.
Figura 12: biglie liquide utilizzate come sensori di gas
Coefficiente di restituzione
Utilizzando la modalità high speed presente in numerosi smart phones è possibile proporre lo studio di un terzo parametro, il coefficiente direstituzione. Esso fornisce informazioni sulla capacità delle gocce di un liquido di rimbalzare via dopo l’impatto con una superficie.
Il coefficiente di restituzione di una superficie è dato dal rapporto energia finale/energia iniziale, pertanto si può ottenere dal rapporto tra l'altezza raggiunta dalla goccia dopo il rimbalzo e l' altezza da cui la goccia è caduta. Per superfici superidrofobiche il coefficiente dovrebbe risultare> 0,8.
Figura 13: misura del coefficiente di restituzione (sinistra) e grafico dell'altezza raggiunta dopo n rimbalzi e sua parametrizzazione (destra)
Utilizzare come superficie un foglio di carta sfregato con aerogel superidrofobico o spray superidrofobico (sono in vendita nei negozi di attrezzature sportive e di vernici). Usare gocce colorate su sfondo chiaro. Illuminare con una lampada il set delle riprese. Le riprese saranno poi analizzate con Tracker.
Drag reduction
Infine dopo aver studiato il moto di gocce di liquido puro su superfici solide superidrofobiche ed il moto di gocce rese superidrofobiche tramite coating su superfici solide convenzionali, si può porre il problema del moto di una superficie superidrofobica in un liquido, con l’obiettivo di valutare se anche in questo caso è possibile registrare una riduzione dell’attrito.
Serve un cilindro graduato di almeno 50-60 cm, meglio se più alto. Nel cilindro pieno d’acqua vengono fatte cadere due palline di massa e volume identici. Unica differenza: la superficie di una delle due è stata resa superidrofobica. Si possono utilizzare due palline di Natale riempite con piombini e ricoperte da una calza di nylon: una delle due è stata spruzzata con spray superidrofobico. Ancora una volta si fa uso di ripresa video e software di videoanalisi.
Figura 14: palline in caduta libera in acqua; la minore velocità di caduta della bigliaindicata è dovuta alla superidrofobicità della sua superficie.
Note e storia
La sequenza di esperimenti fa parte del progetto “Fisica alla meno nove” che intende contribuire all'introduzione in modo sperimentale delle nanoscienze in classe. Il progetto è risultato tra i vincitori del bando del MIUR “Nuove idee per la didattica laboratoriale nei Licei Scientifici. Scuola capofila Liceo Copernico di Bologna, scuole partner IIS Cavazzi sez. Liceo Scientifico di Pavullo (MO) e Liceo Roiti di Ferrara. Il progetto ha previsto attività di workshop e disseminazione nelle tre province.
Bibliografia
www.nanolab.unimore.it Sito dell’Università di Modena e Reggio Emilia, progetto di diffusione delle nanoscienze nelle scuole superiori. Il sito -ricchissimo di materiali - contiene tutti i protocolli sperimentali, videoguide di laboratrio e materiali di riferimento scaricabili liberamente previa registrazione.
De Renzi V, Goldoni G, Lisotti A. “Alla scoperta delle nanotecnologie. La fisica alla nanoscala” Collana Frontiere della Scienza Zanichelli -2014
http://nanoyou.eu/ sito del progetto europeo Nano for Youth (NANOYOU)- contiene una ricca raccolta di materiali e protocolli sperimentali di tipo qualitativo.
