Come fanno le farfalle a cavarsela quando piove forte? (VIDEO)
Una leggera armatura idrorepellente le protegge dalle gocce ad alta velocità. Nuove possibilità per creare prodotti biomimetici
[18 Giugno 2020]
Lo studio “How a raindrop gets shattered on biological surfaces”, pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences da un team di ricercatori del Department of biological and environmental engineering della Cornell University guidato da Seungho Kim, ha analizzato le gocce di pioggia ad alta velocità che colpiscono superfici biologiche come piume, foglie di piante e ali di insetti e rivela come queste strutture altamente idrorepellenti riducono l’impatto dell’acqua.
La ricerca ha infatti mostrato come «I dossi microscopici, combinati con uno strato di cera su nanoscala, frantumano e diffondono queste gocce per proteggere le fragili superfici dai danni fisici e dal rischio di ipotermia».
Alla Cornell ricordano che «Esiste già un grande mercato di prodotti che usano esempi dalla natura – noti come biomimetica – nella loro progettazione: spray autopulenti resistenti all’acqua per vestiti e scarpe e rivestimenti antigelo sulle ali degli aeroplani». I risultati di questo studio potrebbero portare a realizzare in futuro altri prodotti biomimetici.
L’autore senior dello studio Sunghwan “Sunny” Jung, professore associato di ingegneria biologica e ambientale al College of agriculture and life sciences della Cornell, sottolinea che «Questo è il primo studio realizzato per comprendere l’impatto delle gocce di pioggia ad alta velocità su queste superfici idrofobiche naturali».
Precedenti studi avevano esaminato l’acqua che colpisce insetti e piante a basso impatto e avevano notato le proprietà detergenti del liquido. Ma, in natura, le gocce di pioggia possono cadere a una velocità di fino a 10 metri al secondo, e la nuova ricerca ha esaminato come le gocce di pioggia che cadono ad alta velocità interagiscono con le superfici naturali super-idrofobiche.
Jung spiega ancora: «Le gocce di pioggia comportano rischi perché, ad esempio, il loro impatto potrebbe danneggiare le fragili ali di una farfalla. Essere colpito dalle gocce di pioggia è l’evento più pericoloso per questo tipo di piccolo animale. Il peso relativo di una goccia di pioggia che colpisce un’ala di farfalla sarebbe analogo a una palla da bowling che cade dal cielo su un essere umano».
Per realizzare lo studio, i ricercatori hanno utilizzato campioni di foglie, piume e insetti e questi ultimi sono stati acquisiti dalla Cornell University Insect Collection, con l’aiuto del coautore Jason Dombroskie, responsabile della raccolta e direttore dell’Insect Diagnostic Lab. I ricercatori hanno messo i diversi campioni su un tavolo e rilasciato gocce d’acqua da altezze di circa due metri, registrando l’impatto con una telecamera ad alta velocità che effettua migliaia di fotogrammi al secondo. Analizzando il filmato, hanno scoperto che quando una goccia colpisce la superficie, si increspa e si diffonde. Uno strato di cera – misurabile su nanoscala – respinge l’acqua, mentre dossi microscopici più grandi sulla superficie creano “buchi” nella goccia di pioggia.
Jung suggerisce di considerare i micro-dossi come aghi: «Se qualcuno lasciasse cadere un palloncino su questi aghi, allora quel palloncino si spezzerebbe in pezzi più piccoli. Quindi la stessa cosa accade quando la goccia di pioggia colpisce e si diffonde».
I ricercatori dicono che «Questa azione distruttiva riduce la quantità di tempo in cui la goccia viene a contatto con la superficie, il che ne limita lo slancio e riduce la forza di impatto su un’ala o una foglia delicata. Riduce anche il trasferimento di calore da una goccia fredda. Questo è importante perché i muscoli dell’ala di insetto, ad esempio, devono essere abbastanza caldi per volare».
Jung conclude: «Se stanno per un tempo più lungo a contatto con la goccia di pioggia fredda, perderanno molto calore e non potranno volare molto facilmente, rendendoli vulnerabili ai predatori, per esempio. E’ importante anche respingere l’acqua il più rapidamente possibile, perché l’acqua è molto pesante, rendendo difficile il volo negli insetti e negli uccelli e appesantendo le foglie delle piante. Avendo queste strutture a due livelli, [questi organismi] possono avere una superficie super idrofobica».