Un'attrazione improbabile

L'interfaccia tra aria e acqua è carica negativamente. Le nanoparticelle con carica negativa disciolte in acqua dovrebbero quindi essere respinte dalla superficie dell'acqua. Tuttavia, le ricerche all'ETH di Zurigo e all'Istituto Paul Scherrer (PSI) hanno osservato esattamente il contrario: maggiore era la carica negativa delle nanoparticelle, più queste si avvicinavano all'interfaccia. "Per i nostri esperimenti abbiamo utilizzato una pistola ad acqua come quelle che si vedono nei giocattoli", spiega il capogruppo Matthew Brown del Dipartimento di scienze ed ingegneria dei materiali dell'ETH. "Per studiare ciò che accade sulla superficie del getto, i ricercatori hanno utilizzato una grande struttura, la "Sorgente svizzera di luce di sincrotrone" (SLS) presso il PSI di Villigen, che genera una luce a raggi X particolarmente intensa.

Nei loro esperimenti, i ricercatori aggiungono all'acqua nanoparticelle di biossido di silicio. Una pompa trasporta il liquido all'ugello attraverso il quale fuoriesce il getto, largo solo pochi micrometri. Il set-up sperimentale è installato presso il sincrotrone di Villigen in una camera di misura sotto vuoto. Il liquido deve uscire dall'ugello ad alta velocità. "Solo così possiamo avere un getto d'acqua continuo e scorrevole", spiega lo scienziato dei materiali. "La difficoltà sta anche nel mantenere stabile questo microgetto. Quando i raggi X lo colpiscono, fanno uscire dalla superficie del getto gli elettroni, che permettono di trarre conclusioni sul materiale. "Una volta raggiunto questo punto, il nostro esperimento è un normale esperimento di fisica dello stato solido", spiega Matthew Brown.

Squadra internazionale

Utilizzando la spettroscopia di fotoelettroni a raggi X, i ricercatori sono riusciti a determinare la distribuzione delle nanoparticelle all'interfaccia tra aria e acqua. Su una scala di pochi raggi atomici, sono stati in grado di rilevare piccole differenze nella distribuzione delle nanoparticelle all'interfaccia, che hanno potuto attribuire a differenze nella carica delle nanoparticelle. "Siamo l'unico gruppo ad essere riuscito a farlo finora", afferma Matthew Brown, rendendo questo esperimento unico nel suo genere. Il ricercatore all'ETH si è reso conto dell'interesse degli esperti per questo lavoro quando ha cercato dei teorici per interpretare i dati misurati. Colleghi in Svezia, Stati Uniti e Canada sono rimasti entusiasti dei risultati delle misurazioni e hanno immediatamente accettato di partecipare al progetto, dice Matthew Brown.

Come si spiega l'improbabile attrazione tra nanoparticelle con carica negativa e un'interfaccia con carica negativa? "? complicato, ma allo stesso tempo del tutto logico", afferma il leader del gruppo. Le nanoparticelle hanno un forte campo elettrico che innesca una complessa ridistribuzione degli ioni d'acqua, in modo che la carica al passaggio dall'aria all'acqua cambi da negativa a positiva. Il potenziale elettrico di una particella può essere di mezzo volt, aggiunge Matthew Brown: "? molto, molto alto", il che significa che la particella può facilmente modificare la struttura di un'interfaccia.

Applicazioni diverse

Il passaggio dall'aria all'acqua è la più grande interfaccia sulla terra. I ricercatori sperano quindi che i loro risultati possano fornire ulteriori approfondimenti fondamentali. Tuttavia, i loro risultati si applicano anche alle interfacce tra olio e acqua o possono essere applicati alle bolle nelle emulsioni, come quelle presenti nei prodotti cosmetici, nello yogurt o nei coloranti. In ogni caso, alcune particelle stabilizzano l'aria nel liquido. "Siamo interessati ai fondamenti di questo processo", spiega Matthew Brown: "Cosa spinge le particelle verso l'interfaccia e cosa le mantiene lì?" Sulla base di queste conoscenze, un giorno potrebbe essere possibile determinare alcune proprietà dei materiali a livello microscopico utilizzando particelle personalizzate.

Con il nuovo metodo di misurazione sviluppato, i ricercatori vogliono ora determinare anche una grandezza fisica che, secondo il libro di testo, era finora impossibile da misurare: il potenziale elettrico superficiale di una particella in un liquido. Finora, per questa misurazione, la particella doveva essere essiccata. "Ora possiamo analizzarla nel suo ambiente naturale", spiega Matthew Brown. I ricercatori sperano che questo possa avere applicazioni in medicina, ad esempio quando si devono iniettare sostanze attive legate a nanoparticelle. "Nel corpo, le particelle si trovano in un liquido", spiega lo scienziato dei materiali, "quindi si vuole conoscere la struttura della particella disciolta", ma la conoscenza strutturale delle nanoparticelle potrebbe essere utile anche per l'immagazzinamento di energia, la desalinizzazione dell'acqua di mare o la purificazione delle acque sotterranee.