La corsa delle gocce d’acqua

Similmente alle fattorie di umidità immaginate in mondi di fantascienza come quello di “Star Wars”, molte specie di piante provenienti da regioni aride o semi-aride della Terra hanno sviluppato strategie ingegnose per catturare l’acqua dall’aria, garantendo la loro sopravvivenza. Recentemente i ricercatori si sono concentrati sulla comprensione dei meccanismi fondamentali del trasporto dell’acqua, con l’intenzione di riprodurli e migliorarli, soprattutto per facilitare la raccolta dell’umidità atmosferica nei deserti. Un recente studio condotto dal GRASP dell’Università di Liegi (ULiège) ha cercato di comprendere meglio i fattori che influenzano il movimento di queste preziose goccioline. Per fare ciò, gli scienziati hanno monitorato in tempo reale le caratteristiche e la dinamica di queste goccioline mentre scivolavano lungo singole fibre o fasci di fibre.

“Seguire una gocciolina mentre scende lungo una fibra verticale sotto l’influenza della gravità rappresenta una sfida sperimentale complessa: come tracciare una gocciolina su diversi metri di filo? Spiega Matteo Léonard, ricercatore del GRASP e autore principale dello studio. Per affrontare questo problema Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno ideato un dispositivo intelligente nel loro laboratorio: “Invece di seguire la caduta di una goccia, mettiamo in movimento la fibra in modo che la sua velocità sia esattamente uguale e opposta a quella della goccia. In questo modo, la gocciolina rimane “stazionaria” davanti alla telecamera.” Una volta superata questa sfida, hanno prima utilizzato fibre di diverso diametro. Hanno osservato che le goccioline avevano una velocità inferiore a un dato volume quando le fibre erano più spesse, come previsto da teoria. Successivamente, i ricercatori hanno creato fasci di fibre legando insieme le estremità di due o più fibre e applicando una leggera torsione per garantire il contatto tra tutte le fibre. “Questa configurazione ha creato un fascio di fibre con scanalature, simile all’intreccio di fili in un corda, che provocava la comparsa di solchi sulla corda”, spiega Matteo Leonard. In questa configurazione, i ricercatori hanno osservato gli stessi comportamenti delle fibre singole: all’aumentare del numero di fibre nel fascio, aumentava il diametro complessivo del fascio, con conseguente velocità più bassa a parità di volume. Questo comportamento prevedibile, però, nasconde un fenomeno più complesso…

Infatti, che dire del comportamento della gocciolina nel caso in cui entrambe le configurazioni (singola e fascio) abbiano lo stesso diametro (cioè una fibra con un diametro di 0,28 mm contro due fibre con un diametro di 0,14 mm)? Poiché l’ostacolo del fenomeno è la dissipazione (cioè l’attrito all’interno del liquido e tra il liquido e la fibra), ci si potrebbe aspettare che entrambi i casi diano risultati identici perché la superficie di contatto tra il liquido e la fibra è la stessa. “Niente affatto. Abbiamo osservato che, a parità di distanza percorsa, la gocciolina sul fascio di fibre era più veloce. Inoltre perdeva più volume.” I ricercatori ritengono che in questa configurazione la gocciolina perda volume perché tende a “riempire” i solchi con il proprio volume, creando così un binario liquido su cui scorre in modo più efficace e quindi più veloce.

I risultati di questo studio apportano un contributo significativo al campo della progettazione di strutture per la raccolta dell’acqua atmosferica. In particolare, può potenzialmente migliorare l’efficienza delle reti cloud, che consistono in una rete di fibre, a basso costo. Inoltre, questa ricerca evidenzia la crescente importanza delle sottostrutture regolarmente osservate sugli organismi che vivono in ambienti desertici. Queste sottostrutture, come micro-scanalature o micro-peli, dimostrano l’ingegnosità della natura nel catturare e trasportare l’acqua, ispirando future innovazioni tecnologiche.

*Una fattoria umida è un’area di terreno dedicata alla produzione di acqua estraendo l’umidità dall’aria secca.