Se dovete raffreddare rapidamente un’apparecchiatura surriscaldata e per farlo spruzzate acqua fredda sulla superficie metallica, non ottenete alcun risultato soddisfacente. La ragione è semplice: le goccioline d’acqua non riescono a depositarsi sulle superfici molto calde; anzi, inizieranno immediatamente a evaporare, formando un sottile strato di vapore per poi rimbalzare su di esso. Lo hanno verificato bene i tecnici delle squadre di emergenza della centrale nucleare giapponese di Fukushima quando, dopo il terremoto e lo tsunami del 2011, hanno cercato di raffreddare gli alimentatori di emergenza con getti di acqua di mare senza successo.
Ora, un gruppo di ricercatori del MIT, guidati da Kripa Varanasi, Professore Associato del Dipartimento di Ingegneria Meccanica – secondo quanto riportato su Applied Physics Letters – hanno escogitato un modo efficace per raffreddare superfici bollenti, impedendo alle goccioline di rimbalzare. La loro soluzione consiste nel decorare la superficie con sottili strutture e poi ricoprirla con particelle circa cento volte più piccole. Con tale approccio, hanno prodotto superfici strutturate che possono essere riscaldate a temperature di almeno 100 °C superiori a quelle delle superfici lisce dove prima le gocce rimbalzavano, migliorando così la sicurezza e le prestazioni di molti tipi di sistemi.
L’obiettivo dei ricercatori del MIT era di trovare un modo per aumentare la temperatura alla quale le gocce d’acqua iniziano a rimbalzare. Precedenti studi avevano indicato che i materiali rugosi dovrebbero aumentare la superficie in grado di trattenere le goccioline, rendendo più difficile per loro rimbalzare. Ma il team di Varanasi ha scoperto che non qualsiasi superficie ruvida lo farà. Attraverso studi sistematici condotti utilizzando superfici ben definite, hanno scoperto che l’inserimento di microstrutture di silicio sulla superficie ha elevato la temperatura alla quale le goccioline passano dall’adesione al rimbalzo.
E hanno visto che il sistema funziona meglio quando le strutture sono relativamente distribuite. Un risultato sorprendente, perché l’opinione comune suggerirebbe che strutture ravvicinate fornirebbero una superficie maggiore e quindi potrebbero trattenere le goccioline a una temperatura più alta. Analizzando la fisica coinvolta, i ricercatori hanno concluso che le strutture ravvicinate offrono sì più superficie per trattenere le gocce, ma anche mantengono il vapore che nel frattempo si forma. Intrappolato tra strutture adiacenti, lo strato di vapore accumulato sotto una gocciolina aumenta la pressione, spingendo via la goccia.
Quando la forza del vapore supera la forza di attrazione della superficie, la goccia comincia a galleggiare. Avvicinare maggiormente le strutture incrementerebbe le interazioni superficiali, ma aumenterebbe anche la resistenza del vapore. Per disaccoppiare questi due effetti, i ricercatori hanno ricoperto la superficie e le sue strutture a scala micrometrica con delle particelle nanometriche. Questa intelaiatura di “micro-nano” fornisce sia l’estesa area superficiale per le particelle molto piccole sia l’ampia spaziatura tra le strutture per lasciar fluire il vapore.
Gli esperimenti hanno confermato il nuovo approccio. Quando hanno spruzzato sulle superfici micro-nano acqua a 400 °C – la temperatura più alta che il loro apparato sperimentale era in grado di fornire – le goccioline rapidamente bagnavano le superfici e bollivano. È interessante notare che, alle stesse condizioni, le gocce non hanno bagnato le superfici dei campioni con le strutture micrometriche o quelli con l’intreccio su scala nanometrica, ma hanno bagnato le superfici dei campioni che le avevano entrambe.
Quanto alle conseguenze pratiche di questi studi, oltre ai sistemi di sicurezza nucleare, il nuovo metodo potrà trovare importanti applicazioni in sistemi come i generatori di vapore, le caldaie industriali, i motori a iniezione, nonché tutti i processi di raffreddamento spray di metalli bollenti.
Un’applicazione attualmente all’esame del gruppo del MIT sono i sistemi di raffreddamento nell’elettronica: «I flussi di calore nel raffreddamento dell’elettronica sono alle stelle – dice Varanasi – e sarebbe interessante un efficiente raffreddamento a spruzzo: sempre che riusciamo a capire come montare un sistema simile nel piccolo spazio all’interno dei dispositivi elettronici».