Le simulazioni molecolari svelano il motivo per cui le nanogocce d’acqua si distribuiscono in modo sottile sulle superfici idrofile.

Perché l’acqua scivola via dal dorso di un’anatra ma si diffonde sul vetro pulito? Per le gocce macroscopiche (su scala millimetrica), questo comportamento può essere spiegato usando la teoria del continuo.

Tuttavia, quando su scala nanometrica, 10 ^–9 quando le gocce (di circa 1 mm) si diffondono sulle superfici, entra in gioco una forza chiamata tensione di linea, che misteriosamente cambia segno. Le domande sulla natura di questa forza e sulla sua rilevanza per l’interazione dell’acqua con le superfici sono rimaste senza risposta.

Ora, i ricercatori dell’Istituto di Scienze Industriali dell’Università di Tokyo hanno condotto studi computazionali che spiegano l’origine della tensione di linea nelle nanogocce d’acqua a livello molecolare. Questa scoperta è stata pubblicata su Nature Physics .

Su superfici idrofobiche come il Teflon, l’acqua forma gocce sferiche che scivolano via, un processo noto come non bagnatura. Su una foglia cerosa, l’acqua forma gocce stabili e rotonde, corrispondenti a una bagnatura parziale. Sul vetro pulito, l’acqua si diffonde in una pellicola sottile, definita bagnatura completa. La bagnabilità del substrato è la capacità dei liquidi di mantenere il contatto con una superficie solida. Modificando la bagnabilità del substrato è possibile passare da una bagnatura parziale a una completa.

Sul bordo di una goccia d’acqua su una superficie, tre fasi entrano in contatto. La forma di una goccia macroscopica è determinata dall’equilibrio delle forze presenti alle tre interfacce (solido-aria, liquido-solido e liquido-aria) lungo la linea di contatto.

Lungo la linea di contatto agisce una forza aggiuntiva: la tensione di linea. Per una goccia macroscopica, la tensione di linea è molto inferiore alla tensione interfacciale. Tuttavia, per gocce su scala nanometrica, la linea di contatto ha dimensioni paragonabili a quelle della goccia stessa. In condizioni di bagnatura completa, la tensione di linea può diventare significativa e invertire il segno, influenzando fortemente il comportamento di bagnatura su scala nanometrica. Questo fenomeno non può essere spiegato con una descrizione puramente continua.

Il team ha condotto esperimenti al computer (simulazioni di dinamica molecolare) per esaminare come le molecole d’acqua si organizzano su una superficie durante la bagnatura. Successivamente, il team ha quantificato la tensione di linea per diverse bagnabilità del substrato.

“Nell’acqua liquida, i legami a idrogeno tendono a organizzare le molecole d’acqua in una struttura tetraedrica locale a corto raggio, un modello transitorio a quattro vicini”, spiega l’autore principale Mohd Moid. “È difficile eseguire esperimenti fisici per studiare come questo ordine tetraedrico si evolve quando l’acqua bagna completamente una superficie.”

Tuttavia, gli esperimenti al computer hanno dimostrato che l’ordine tetraedrico collassa in corrispondenza della linea di contatto a completa bagnatura. Questo cambiamento strutturale è legato a un cambiamento di segno della tensione di linea.

“Abbiamo anche condotto esperimenti al computer su un doppio strato di ghiaccio su una superficie idrofila”, riferisce l’autore senior Hajime Tanaka. “I doppi strati di ghiaccio sono costituiti da due strati di molecole d’acqua. Abbiamo scoperto che il doppio strato non bagnava la superficie, dimostrando che l’ordine locale può prevalere sulla chimica della superficie.”

Questo lavoro dimostra che la struttura del liquido interfacciale è un fattore determinante per la bagnabilità, fornendo un nuovo principio di progettazione per il controllo della meccanica interfacciale e della bagnabilità nei sistemi inorganici e biologici.

Abstract

La tensione di linea, ovvero l’eccesso di energia libera di un confine trifase, governa la bagnabilità e la capillarità su scala nanometrica. Tuttavia, la sua origine microscopica, così come l’inversione di segno in prossimità della bagnabilità completa, non sono ancora ben comprese. In questo studio dimostriamo che l’ordine strutturale molecolare allo stato liquido all’interfaccia controlla direttamente la bagnabilità su scala nanometrica. Utilizzando simulazioni di dinamica molecolare e analisi termodinamica, quantifichiamo la tensione di linea di nanogocce d’acqua in funzione della bagnabilità del substrato. Sebbene trascurabile su superfici idrofobiche, la tensione di linea domina in prossimità della bagnabilità completa e inverte il segno a causa del collasso dell’ordine tetraedrico sulla linea di contatto indotto dall’idrofilia del substrato. Questa transizione guidata dalla struttura, piuttosto che dalla sola chimica superficiale, è alla base dell’inversione di segno. Inoltre, il ghiaccio a doppio strato, sebbene stabilizzato su substrati idrofili, resiste alla bagnabilità a causa del disallineamento strutturale. I nostri risultati identificano la struttura liquida interfacciale come un fattore determinante della bagnabilità e rivelano un principio generale che governa le transizioni di bagnabilità nei liquidi con ordine locale.

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