Riassunto / Abstract

L’attività si pone come obiettivo lo studio e la comprensione delle proprietà di superfici semplici e complesse attraverso la misura dell’angolo di contatto di gocce di acqua. Nell’ambito dell’attività sarà misurato l’angolo di contatto tra gocce d’acqua e varie superfici per individuare quelle più idrofobiche e si discuteranno le loro potenziali applicazioni.

Scheda sintetica delle attività

L’attività si compone di varie fasi, focalizzate su:

• discussione ed analisi di fenomeni legati alla tensione superficiale;
• realizzazione di un apparato sperimentale per la misura di angolo di contatto;
• misura degli angoli di contatto di varie superfici;
• classificazione delle superfici;
• discussione dei risultati osservati e delle potenziali applicazioni.

Risorse necessarie

• Fotocamera digitale di un telefonino o macchina fotografica digitale con cavalletto;
• computer con software di analisi immagini: ImageJ;
• foglie di diverse piante tipo ulivo e/o Echeveria;
• fogli di materiali diversi tipo vetro, plastica, alluminio;
• superfici di supporto;
• una siringa o un nebulizzatore;
• acqua distillata.

Prerequisiti necessari

• Conoscenze elementari della teoria della bagnabilità: concetto di tensione superficiale, equazione di Young dell’angolo di contatto;
• saper utilizzare le funzioni base del programma Imagej per analizzare immagini;
• trigonometria;
• saper acquisire immagini con sistemi digitali.

Obiettivi di apprendimento

• Saper misurare l’angolo di contatto tra la retta tangente alla goccia e la superficie piana di appoggio della goccia.
• classificare le diverse superfici in base all’angolo di contatto;
• conoscere e comprendere le proprietà di superfici idrofiliche e idrofobiche;
• saper acquisire e analizzare immagini.

Dotazioni di sicurezza

Nessuna

Svolgimento

Introduzione

Non è difficile convincere gli studenti dell’esistenza della tensione superficiale nelle lamine di contatto tra liquido e aria e le bellissime immagini e le fotografie presenti in rete possono contribuire allo scopo.
Per capire il fenomeno possiamo considerare la goccia di un liquido generico. Le molecole di questo liquido risentono di una debole attrazione reciproca dovuta alle forze intermolecolari detta appunto forza di coesione; in particolare le molecole all’interno della goccia si trovano in una situazione simmetrica in cui, essendo circondate da altre molecole, risentono di una forza totale dovuta alle forze di coesione che tende a zero. Viceversa le molecole che si trovano in superficie risentono di una forza di coesione totale diversa da zero diretto verso l’interno della goccia. Il risultato è che la forma assunta dalla goccia tenderà a minimizzare la superficie esposta. 
Nel caso in cui una goccia si trovi in contatto con una superficie solida questo fenomeno va in competizione con le forze di adesione, cioè con le forze intermolecolari di attrazione tra le molecole del liquido e quelle della superficie del solido e che tendono a massimizzare la superficie di contatto tra liquido e solido. L’equilibrio tra queste forze si può analizzare in termini della relazione di Young che descrive l’equilibrio termodinamico tra le tre fasi (gas, liquido e solido) che circondano la goccia. 
Consideriamo la linea di contatto che è comune alle tre fasi: G aeriforme (aria, vapore), L liquida (goccia d’acqua) e S solida (superficie di contatto);  sul punto  A della linea (figure 1 e 2) sono presenti le tre tensioni superficiali orientate come indicato:

\(\gamma_{GS}\) tensione superficiale tra gas (aria,vapore) e superficie solida;

\(\gamma_{GL}\) tensione superficiale tra gas (aria,vapore) e liquido acqua;

\(\gamma_{LS}\) tensione superficiale tra acqua e superficie solida.

Il punto A sulla superficie è in equilibrio quando:

\[\gamma_{GS} = \gamma_{LS} + \gamma_{GL} \cdot \cos \theta\]

,

dove θ è l’angolo di contatto superficie (S) e liquido (L).

Se θ< 90° si dice che l’acqua bagna la superficie (superficie idrofilica)

Se θ>90° si dice che l’acqua non bagna la superficie (superficie idrofobica).

Tanto più ampio è l’angolo tangente alla goccia d’acqua, tanto più è idrofobica la superficie su cui essa poggia. Generalmente si trova che, anche per superfici fortemente idrofobiche, l’angolo di contatto θ non supera 120°. In natura però vi sono foglie con angolo di contatto θ =180°: le gocce d’acqua appoggiate sono perfettamente sferiche. Un noto esempio sono i fiori di loto che  hanno la proprietà di non trattenere l’acqua: questa scivola via sotto forma di tante goccioline che rotolando senza strisciare sulla superficie delle loro foglie, portano via tracce di fango e altre impurità, autopulendosi. Il segreto nascosto in queste foglie sono dei minuscoli cristalli di cera idrofobica dell’ordine del micron, che ricoprono la loro superficie riducendo il contatto delle gocce con la superficie effettiva (figura 3).
Questo effetto è di grande interesse per le nanotecnologie che, imitando il trucco che la natura usa per queste foglie, sviluppano nuovi materiali microstrutturati sempre più idrofobici, utilizzabili come superfici autopulenti artificiali. 

Lo scopo del progetto didattico è quello di mostrare il comportamento di bagnabilità di superfici con acqua allo scopo di comprendere l’effetto loto.

Esecuzione dell’esperimento

L’esperimento è così strutturato:

si raccolgono (anche a cura degli studenti) le superfici di cui sarà studiata la bagnabilità con acqua:
vetrino da laboratorio, plastica, parafilm
foglie di ulivo, foglie di Echeveria.
Queste superfici vengono ritagliate a forma di rettangoli e fissate /appoggiate orizzontalmente su un supporto.
Con una siringa o un nebulizzatore vengono depositate lentamente delle gocce d’acqua sulla superficie dei diversi materiali come mostrato nella figura 4.

Individuate le gocce più interessanti, vengono fotografate con una camera fissata su un cavalletto in maniera tale che la direzione dell’obiettivo risulti essere parallela alla superficie di contatto goccia-materiale (o in alternativa con una fotocamera di uno smartphone, la maggior parte delle quali dotate del controllo di stabilità).

Le foto acquisite vengono elaborate con l’applicazione ImageJ (disponibile gratuitamente in rete) per la misura  dell’angolo di contatto tra la superficie e la retta tangente alla goccia nel punto di contatto goccia-materiale, come mostrato nella figura 5.

Allo scopo seguire la procedura seguente:

1. Aprire l’immagine di interesse con il software.
2. Selezionare lo strumento di misura degli angoli.
3. Posizionare i lati dell’angolo (linee gialle) come mostrato in figura 5. 
4. Leggere il valore riportato nel campo angolo.

Risultati 

La figura 6 mostra due esempi di superfici studiate aventi carattere idrofilico ed idrofobico.

La seguente tabella riassume i valori misurati per le diverse superfici caratterizzate. Gli errori sono il risultato di più misure eseguite su diverse gocce depositate sulla stessa superficie.

A conclusione dell’attività si può mostrare agli studenti l’immagine riprodotta in figura 7 acquisita al microscopio elettronico di una superficie delle foglie di loto, che mostra la presenza di microstrutture che determinano le proprietà idrofobiche di tale elemento naturale e discutere con gli studenti delle possibilità che le moderne tecnologie hanno di riprodurre tali strutture artificialmente per realizzare materiali altamente idrofobici. La natura è quindi costante fonte di ispirazione per il mondo delle nanotecnologie.

Note e storia

I primi studi sui liquidi e la tensione superficiale sono riportati nel libro “Pneumatica” scritto da Erone di Alessandria (10-70 AC). In tempi più recenti ricordiamo James Jourin (1684-1750) per gli studi sulla capillarità, Pierre-Simon de Laplace (1749-1827) che ha dato il nome alla pressione sul liquido causata dalla tensione superficiale, in termini dei raggi di curvatura principali del menisco. Il vero impulso allo studio dei fenomeni relativi alla adesione, alla bagnabilità delle superfici, alla tensione superficiale, capillarità si è avuto nel 1800 quando Thomas Young determinò l’equazione che lega l’angolo tra la  linea di contatto delle varie fasi (liquido, solido e gas) e le gocce. L’equazione di Young fu semplificata da A. Duprè (1869) che scrisse l’equazione dell’angolo di contatto in termini di lavoro di adesione e lavoro di coesione, aprendo anche la possibilità a successive modellizzazioni della stessa equazione. L’effetto loto fu descritto dal botanico W. Barthlott, mentre studiava esemplari di fiori di loto negli anni ’90.  Lo studio dei fenomeni di bagnabilità è importante e utile in molti campi (medicina, biologia) e nella tecnologia. Sottolineiamo tra le tante applicazioni la stampa a getto di inchiostro. Con le nanotecnologie si cerca di riprodurre l’effetto loto in vernici, tessuti, tegole e altre superfici utili nell’architettura perché superidrofobiche, cioè non si bagnano e si puliscono da sole.

Autori

Setola Raffaele
Nacci Antonella
Semeraro Giuseppe Rocco
Frallonardo Luciana

Specifiche esperimento Materia Fisica Classi a cui è rivolto 2° biennio Tipologia di laboratorio Povero Reperibilità del materiale Uso quotidiano Materiale specifico Software di analisi immagini, foglie di diverse piante, fogli di materiali diversi (vetro, plastica, alluminio), siringa o nebulizzatore, acqua distillata Durata esperimento in classe 3 h Capacità di bricolage/assemblaggio No Necessità lavorazioni meccaniche/elettroniche No Necessità PC per acqusizione/analisi dati Sì Necessità di uno smartphone Sì Parole chiave Meccanica dei fluidi Idrostatica Tensione superficiale Bagnabilità