Superfici e fenomeni capillari

Questa area di ricerca è focalizzata sullo studio delle superfici, delle interfacce ed in generale dei fenomeni capillari. Lo studio delle interazioni meccaniche e termiche tra gocce, bolle e superfici solide - e più in generale il comportamento in presenza di interfacce solido-fluido o liquido-aeriforme - è talvolta un fine (ad esempio per determinare la tensione superficiale di un liquido), ma più frequentemente un mezzo.

Esso permette infatti di valutare una serie di caratteristiche (in primo luogo la bagnabilità) e comportamenti di superfici - sia convenzionali sia soprattutto ingegnerizzate - che stanno assumendo una rilevanza sempre maggiore in molteplici applicazioni, spaziando dagli oggetti di uso comune all'ambito high tech.

Con elenco tutt'altro che esaustivo, si possono citare:

la realizzazione di rivestimenti superidrofobici o più in generale superigrofobici (per utilizzi che vanno dalle attrezzature da cucina antiaderenti ai tessuti tecnici idrorepellenti, ai dispositivi medici a ridotta contaminabilità, alla protezione dal ghiaccio in ambito aeronautico e per aerogeneratori da installare in regioni fredde, alle membrane e alla componentistica per celle a combustibile);
la progettazione di superfici strutturate per l'ottimizzazione dello scambio termico in transizione di fase (ad esempio microalettate per il raffreddamento evaporativo a gocce o microstrutturate per promuovere l'ebollizione);
l'ottimizzazione dell'atomizzazione (ad esempio per gli iniettori dei motori a combustione interna), della deposizione o dell'impatto singolo/multiplo di gocce su superfici solide (ad esempio in termini di copertura della superficie e scambio termico durante l'utilizzo di spray: stampa 2D e 3D, verniciatura a spruzzo, raffreddamento di dispositivi elettronici o meccanici; o per trattamenti con concimi o pesticidi, auto-pulizia di superfici naturali o tecnologiche, erosione del terreno o di manufatti da parte della pioggia, indagini forensi);
l'analisi degli effetti dell'impatto singolo/multiplo di gocce su film o deep pools della stessa sostanza o di sostanze diverse (ad esempio per i motori a combustione interna o il trasporto di inquinanti dall'aria agli specchi d'acqua);
la realizzazione di superfici ad alta idrofilicità per l'ottimizzazione dello scambio termico e di massa (ad esempio per la ventilazione meccanica ad alte prestazioni).

Goccia su gas diffusion layer superidrofobico per celle a combustibile

Impatto di goccia su goccia su superficie microalettata

Goccia su superficie microalettata in ottone

Bolla d'aria all'interno di una goccia di liquido non-Newtoniano

Gocce su gas diffusion layer + microporous layer per celle a combustibile, galleggiante su acqua

Goccia pendente da una superficie orizzontale

Simulazione CFD di impatto di goccia su gas diffusion layer acquisito tramite microtomografia

Goccia su sezione di sondino nasogastrico

Goccia su gas diffusion layer, ricostruzione da microtomografia

Impatto di goccia in una ampia regione di liquido, con bolle secondarie

Le indagini sono condotte principalmente con tecniche sperimentali, alle quali possono essere affiancati studi di termofluidodinamica numerica (Computational Fluid Dynamics - CFD).

Con la strumentazione a disposizione del laboratorio è possibile valutare ad esempio:

il comportamento (forma, angoli di contatto statici e dinamici, angoli di scivolamento, coefficienti di restituzione, ...) durante e dopo deposizione o impatto di gocce su superfici solide;
le caratteristiche e gli effetti di impatti singoli/multipli di gocce su superfici solide e su interfacce gas/liquido;
l'energia superficiale di fluidi in aria e energia interfacciale tra coppie di liquidi;
i tempi di evaporazione e flussi termici scambiati durante raffreddamento evaporativo a gocce o fenomeni affini;
le dinamiche di bolle in risalita in colonne di liquido e fenomeni affini.

Le analisi possono essere effettuate con qualsiasi tipo di fluido a nulla o bassa tossicità/pericolosità (Newtoniano o anche non Newtoniano - dall'acqua a oli, collanti, vernici, soluzioni, ...) e sostanzialmente per ogni tipo di superficie (metalli, vetri, plastiche, tessuti, ...; superfici lisce/piane, curve, strutturate/ingegnerizzate - microstrutturate, microalettate, tessuti tecnologici, ... - con comportamento da superigrofilico a superigrofobico, asciutte o bagnate). Le prove possono essere svolte sia a temperatura ambiente sia in temperatura.

Goccia su gas diffusion layer, con sovrapposizione del contorno calcolato per la misura dell'angolo di contatto

Evaporazione di una goccia su superficie microalettata, sequenza di viste frontali e laterali

Simulazione CFD di impatto di goccia su superficie microalettata

Goccia su gas diffusion layer, effetto lente

Simulazione CFD di impatto di goccia in una ampia regione di liquido

Andamento irregolare della linea tripla su gas diffusion layer coperto da biofilm per celle a combustibile microbiche

Simulazione CFD di goccia deposta su gas diffusion layer acquisito tramite microtomografia

Distacco di una bolla da una cannuccia immersa in acqua

Confronto tra risultati sperimentali e numerici per impatto di gocce gemelle in una ampia regione di liquido

Esempi di studi svolti

analisi della bagnabilità di gas diffusion layer (GDL) e microporous layer (MPL) (tessuti e tessuti-non-tessuti in carbonio trattato con polimeri florurati) per celle a combustibile tradizionali e microbiche, e sua correlazione con le prestazioni in cella (in collaborazione con il Dipartimento di Chimica del Politecnico di Milano e con le Università del Connecticut, USA e del New Mexico, USA);
analisi della bagnabilità e dei flussi termici durante raffreddamento evaporativo a gocce di superfici microalettate;
confronto tra indagini ottiche e indagini tramite microtomografia assistita dal calcolatore (in collaborazione con l'Università di Bergamo) per valutare la bagnabilità di superfici strutturate;
misure di angolo di contatto su superfici curve e angolo di contatto apparente su tessuti;
simulazioni numeriche della deposizione e dell'impatto singolo e multiplo di gocce su superfici strutturate (microalettate, tessuti) e su interfacce gas-liquido (in collaborazione con l'Università di Bergamo);
misure di energia superficiale di fluidi in aria e energia interfacciale tra coppie di liquidi;
analisi della bagnabilità di sondini naso-gastrici;
analisi della bagnabilità e della durabilità di rivestimenti superidrofobici ultrasottili.

Trampolino per gocce...

Una bolla in acque agitate...

Half pipe per gocce (con effetto Loto: la goccia rotolando pulisce la superficie)

Dinamiche di bolle galleggianti

Impatto di gocce in deep pool

Trampolino per gocce... (la superficie ad alta idrofobicità riesce a "tagliare" la goccia)

Bolle in risalita)

Bolle in risalita (zoom sull'arrivo al pelo libero)

Deposizione di una goccia d'acqua su una biglia di materiale adsorbente

Simulazione numerica (con OpenFOAM) dell'impatto di una goccia su un film di liquido

Simulazione numerica (con OpenFOAM) dell'impatto di due gocce gemelle in una ampia regione di liquido

Treno di bolle in arrivo al pelo libero di una ampia regione di liquido

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