Bagnamento di superfici microstrutturare

La realizzazione di superfici con bagnabilità controllata è un campo molto attivo della ricerca nella scienza dei materiali. Giocando con la composizione chimica della superficie e la sua morfologia è possibile migliorare in modo determinante le proprietà idrofobe e idrofile. Esse vengono di solito quantificate da un parametro macroscopico: l'angolo di contatto apparente θ, che una goccia d'acqua forma con la superficie. Negli ultimi anni sono state realizzate una grande varietà di superfici super-idrofobiche e super-idrofile. Esse presentano rispettivamente un angolo di contatto θ >150° e θ <10° [1-3]. Una potenziale applicazione di questi studi è costituito dalla realizzazione di rivestimenti "intelligenti", ossia che possono cambiare la loro bagnabilità quando sono soggetti a specifici stimoli esterni, come la luce [4,5] o la temperatura [6,7]. La presenza di una superficie ruvida è fondamentale in tutte queste applicazioni: l'angolo di contatto apparente, infatti, dipende anche dalla morfologia della superfice. A questo proposito, il valore dell'angolo di contatto statico apparente è ben previsto dai modelli Wenzel o Cassie che spiegano il comportamente delle gocce sia quanto vi è un in pieno contatto tra il liquido e il substrato, sia se è presente dell'aria intrappolata tra le asperità della superficie (esempio in Fig. 1) [8]. Inoltre è possibile distinguere comportamenti diversi delle gocce in caso di superfici con rugosità isotropa e anisotropa. Nel primo caso la goccia assume una forma quasi emisferica e il suo angolo di contatto statico è lo stesso in ogni direzione. Mentre se sono presenti ad esempios delle scanalature sulla superfice, la goccia assume una forma allungata e gli angoli di contatto misurati sono diversi a senconda della direzione dell'osservatore. Questo comportamento può essere spiegato considerando il pinning (attaccamento) della linea di contatto sul bordo delle scanalature, come espresso dalla relazione di Gibbs. Questa è una condizione geometrica che impone che l'angolo di contatto massimo (θmax), che può essere misurato a su un bordo solido avente una apertura φ, sia uguale a: .

gibbs

dove θ è l'angolo di contatto di equilibrio sulla superficie piatta lontano dal bordo.
apparato Per analizzare meglio l'anisotropia delle gocce d'acqua causata dal pinning della linea di contatto della goccia stessa senza le già citate complicazioni dovute alla presenza di scanalature multiple, abbiamo investigato il bagnamento di una goccia depositata sopra singoli rilievi submillimetrici di diversa forma. La superficie disegnata è stata creata usando tecniche di microfabbricazione disponibili nel nostro laboratorio. I profili delle gocce d'acqua vengono fotografati da un apparato realizzato in laboratorio appositamente per questo scopo, rappresentato in Fig.2. Il campione viene posizionato nel mezzo e osservato mediante due telecamere sincornizzate sulle quali sono montati due obiettivi telecentrici. Grazie ad una pompa a siringa, una piccola goccia d'acqua di volume noto viene depositata sul campione. In questa maniera il profilo della goccia può essere osservato simultaneamnete da due direzioni. Alcuni risultati acquisiti con questo apparato sono stati pubblicati nei seguenti lavori [9,10].

1. Shibuichi, S.; Onda, T.; Satoh, N.; Tsuji, K. J. Phys. Chem., 1996, 100, 19512.
2. Pozzato, A.; Dal Zilio, S.; Fois, G.; Vendramin, D.; Mistura, G.; Belotti, M.; Chen, Y.; Natali, M. Microelectron. Eng., 2006, 83, 884.
3. Roach, P.; Shirtcliffe, N. J.; Newton, M. I. Soft Matter, 2008, 4, 224.
4. Wang, R.; Hashimoto, K.; Fujishima, A.; Chikuni, M.; Kojima, E.; Kitamura, A.; Shimohigoshi, M.; Watanabe, T. Nature 1997, 388, 431.
5. Dattilo, D.; Armelao, L.; Fois, G.; Mistura, G.; Maggini, M. Langmuir 2007, 23, 12945.
6. Sun, T. L.; Liu, H. A.; Song, W. L.; Wang, X.; Jiang, L.; Li, L.; Zhu, D. B. Angew. Chem., Int. Ed. 2004, 43, 357.
7. Podestà, A.; G. Bongiorno, G.; P. E. Scopelliti, P. E.; S. Bovio, S.; Milani, P.; Semprebon, C.; Mistura, G. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 18264
8. Quéré D. Physica A, 2002,313 , 32.
9. Semprebon, C; Mistura, G.; Orlandini, E.; Bissacco, G.; Segato, A.; Yeomans, J. M. Langmuir 2009, 25, 5619.
10. Tóth, T.; Ferraro, D.;. Chiarello, E.; Pierno, M.; Mistura, G.; Bissacco, G. and Semprebon, C., “Suspension of water droplets on individual pillars” , submitted to Langmuir