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Aug 29, 2023

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 24653 (2016) Citare questo articolo

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La riduzione della resistenza è diventata una questione seria negli ultimi anni in termini di risparmio energetico e protezione ambientale. Tra i diversi approcci per la riduzione della resistenza aerodinamica, le superfici superidrofobiche sono state studiate principalmente per la loro elevata efficienza di riduzione della resistenza aerodinamica. Tuttavia, a causa della durata limitata del piastrone (cioè delle sacche d'aria) sulle superfici superidrofobiche sott'acqua, l'instabilità delle superfici bagnate è stata un punto critico per le applicazioni pratiche. Questo lavoro rappresenta una svolta nel miglioramento della stabilità subacquea delle superfici superidrofobiche ottimizzando le strutture superficiali su scala nanometrica utilizzando strutture interconnesse SiC/Si. Queste strutture hanno una stabilità ineguagliabile della superidrofobicità subacquea e migliorano le capacità di riduzione della resistenza, con una durata del piastrone di oltre 18 giorni e un rapporto massimo di riduzione della velocità del 56%. Inoltre, attraverso la scissione fotoelettrochimica dell'acqua su una superficie nanostrutturata gerarchica SiC/Si, il problema della durata limitata delle sacche d'aria è stato superato riempiendo lo strato di gas in fuga, che fornisce anche effetti continui di riduzione della resistenza.

Le superfici bagnate hanno attirato molta attenzione a causa della loro vasta gamma di potenziali applicazioni, come superfici antivegetative1,2,3,4,5,6,7, dispositivi impermeabili8,9,10, microcanali11,12, formazione di ghiaccio13,14,15,16,17, separazione olio/acqua18,19,20, riduzione della resistenza aerodinamica21,22,23 e altri campi correlati alla non bagnabilità24,25,26,27,28,29,30,31,32. Tra i campi di applicazione delle superfici bagnate, la riduzione della resistenza aerodinamica è uno dei problemi più significativi per il risparmio energetico e la protezione ambientale, divenuti preoccupazioni globali negli ultimi decenni. Soprattutto nel campo delle navi marittime e dei canali fluidi, la riduzione della resistenza può ridurre enormemente il consumo di energia e risorse33,34. Sono state studiate varie strutture e morfologie superficiali per indurre effetti di riduzione della resistenza aerodinamica, inclusi rivestimenti conformi35,36, rivestimenti polimerici37,38,39, tensioattivi40,41,42, microbolle43,44 e rivestimenti superidrofobici23,45. Tra le varie strategie per la riduzione della resistenza aerodinamica, le superfici superidrofobiche, ovvero superfici bagnate che imitano le foglie di loto, hanno mostrato un’efficienza dominante nella riduzione della resistenza aerodinamica. Tuttavia, l’instabile superidrofobicità subacquea ne ha impedito l’uso in applicazioni pratiche46,47,48.

Nelle superfici superidrofobiche, è noto che la presenza di uno strato intermedio di aria (o gas) sulla superficie sommersa provoca il comportamento di non bagnabilità e, quindi, la stabilità della superidrofobicità subacquea è determinata dalla durata dello strato intermedio di aria49. Tuttavia, lo strato intermedio dell'aria (piastrone) è altamente instabile e ha una durata limitata a causa della diffusione dei gas dell'aria nell'acqua50. Secondo ricerche precedenti, le velocità di diffusione del gas sono determinate principalmente dalle caratteristiche superficiali (morfologia superficiale ed energia superficiale) e dalla pressione idrostatica51,52. È stato segnalato che varie strutture superficiali, come strutture mesoporose, array di nanofili e strutture micro/nanogerarchiche, migliorano la durata dello strato intermedio d'aria53,54. Tuttavia, nonostante questi diversi studi, non sono riusciti a superare l’impermanenza dello strato intermedio d’aria.

In questo studio abbiamo sviluppato nuove strutture gerarchiche interconnesse SiC/Si utilizzando un metodo di sintesi basato sulla riduzione carbotermica55. Rispetto alle strutture precedentemente riportate, la nostra superficie ha migliorato drasticamente la durata dello strato intermedio d'aria e ha mostrato la massima stabilità della superidrofobicità subacquea grazie alla sua struttura di rete unica47,56. Secondo le nostre misurazioni di riduzione della resistenza, la nostra superficie gerarchica SiC/Si superidrofobica ha mostrato un effetto di riduzione della resistenza del 56% rispetto a una superficie piana di Si. Al contrario, la superficie SiC/Si superidrofila ha mostrato una proprietà di miglioramento della resistenza aerodinamica.