Vi siete mai chiesti come fanno gli insetti a camminare sull'acqua?

11 Maggio 2022

Non è perché sono più leggeri o meno densi dell'acqua, la risposta è... tensione superficiale!

Cos'è la tensione superficiale

È ciò che provoca la formazione di bolle, è il modo in cui l'acqua può strisciare sui lati di un tubo capillare ed è ciò che consente agli insetti come lo strider d'acqua di camminare lungo la superficie di uno stagno senza romperlo. 

La tensione superficiale è l'energia richiesta per aumentare la superficie di un liquido, e quindi ciò che fa sì che un liquido desideri avere una superficie il più piccola possibile. In altre parole, è la capacità di una superficie di resistere alla forza esterna dovuta alle forze molecolari che agiscono all'interno del liquido. Queste forze includono il legame idrogeno (interazione intermolecolare forte) e le forze di dispersione (interazione intermolecolare debole).

Oltre al potere della tensione superficiale, gli strider d'acqua hanno anche migliaia di minuscoli peli sulle gambe per intrappolare l'aria e aumentare la resistenza all'acqua.
Oltre al potere della tensione superficiale, gli strider d'acqua hanno anche migliaia di minuscoli peli sulle gambe per intrappolare l'aria e aumentare la resistenza all'acqua.

Stranezze dell'acqua

Tra le sue molte altre proprietà uniche, la struttura chimica dell'acqua le conferisce a molti tensione superficiale maggiore rispetto ad altri liquidi, circa 72 mN/m. L'unico liquido con una tensione superficiale maggiore è il mercurio, a 500 mN/m. Per questo motivo, l'acqua è l'esempio più comune utilizzato per dimostrare la tensione superficiale e possiamo vederla in azione ovunque andiamo.

L'acqua è composta da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno in una struttura tetraedrica e questa configurazione consente alle molecole d'acqua di formare legami elettrostatici, chiamati legami idrogeno, tra le molecole vicine.

Le superfici sono spesso descritte come idrofile (amanti dell'acqua) o idrofobiche (che odiano l'acqua), e questo è determinato dalla capacità della superficie di legarsi con le molecole d'acqua piuttosto che dall'acqua che si lega semplicemente a se stessa. Questa capacità di legame superficiale è spesso determinata dalla polarità molecolare e dall'eventuale presenza di siti per il legame idrogeno. In chimica, "il simile attrae il simile", quindi una molecola polare come l'acqua sarà più attratta da una superficie polare che da una superficie senza carica netta.

foglie di loto

Quando guardi l'acqua che scorre dalle foglie di un fiore di loto, vedrai che la foglia non si bagna davvero. L'acqua scorre via senza lasciare traccia. L'effetto loto è un caso speciale di superidrofobicità e questo è causato da due fattori.

L'effetto loto ha influenzato lo sviluppo della bioimitazione di altre superfici per essere ultraidrofobiche, autopulenti e antiaderenti, come il PTFE, il rivestimento delle pentole in teflon.
L'effetto loto ha influenzato lo sviluppo della bioimitazione di altre superfici per essere ultraidrofobiche, autopulenti e antiaderenti, come il PTFE, il rivestimento delle pentole in teflon.

In primo luogo, le foglie di loto sono ricoperte da cuticole che secernono una sostanza cerosa sulla superficie fogliare. Cere e oli sono idrofobici e quindi le goccioline d'acqua aderiranno più facilmente ad altre goccioline d'acqua che alla superficie delle foglie.

In secondo luogo, la superficie di una foglia di loto può sembrare abbastanza liscia, ma in realtà è estremamente ruvida a livello microscopico. È ricoperto da molti minuscoli punti della superficie fogliare, formando gerarchie frattali di superficie e spazi vuoti in cui l'aria può essere intrappolata. Ciò aumenta la resistenza tra la goccia d'acqua e la superficie fogliare, facendo scivolare via semplicemente l'acqua. 

Rompere la tensione superficiale

L'energia di una superficie può essere abbassata per farla rompere più facilmente. Ciò si ottiene utilizzando tensioattivi, abbreviazione di navigareasso agireive agenti. 

I tensioattivi domestici più comuni sono i detersivi nei prodotti per la pulizia e gli emulsionanti negli alimenti e nei cosmetici.
I tensioattivi domestici più comuni sono i detersivi nei prodotti per la pulizia e gli emulsionanti negli alimenti e nei cosmetici.

I tensioattivi sono molecole con una testa idrofila e una coda idrofobica. Le molecole possono allinearsi lungo un'interfaccia di acqua e un altro fluido (come olio o aria) e questo abbassa l'energia lungo la superficie. 

Puoi visualizzarlo come uno strato aggiuntivo che ricopre le molecole d'acqua e le separa dall'interfaccia e l'una dall'altra. Questo sparge le molecole d'acqua in modo sottile e provoca la formazione di bolle. 

Nei detersivi, queste minuscole bolle possono quindi entrare nelle scanalature e nei pori per rimuovere lo sporco e i batteri. Nelle emulsioni, le bolle possono essere disperse in un altro fluido, come particelle d'acqua sospese nell'olio per fare la margarina. I tensioattivi emulsionanti sono in grado di cambiare la consistenza delle due fasi in qualcosa di omogeneo e garantire che sia molto più difficile per loro separarsi.

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