La bagnabilità è dovuta a interazioni intermolecolari che si verificano quando un liquido e un solido entrano in contatto tra loro ed è definita come la capacità che presenta un liquido di mantenere il contatto con una superficie solida.
La bagnabilità di una polvere è quindi determinata dall’interazione delle molecole al confine tra le fasi solida, liquida ed eventualmente gassosa e porta alla formazione di una pellicola liquida sulla superficie delle particelle.
La bagnabilità è determinata dalle forze di adesione e dalle forze di coesione tra il solido e il liquido dove con il termine di forza coesiva si intende una forza di natura, in genere elettrostatica, che si instaura tra particelle di superfici dissimili. Una forza coesiva, invece, si genera tra particelle di superfici simili come, ad esempio, legame a idrogeno e forze di van der Waals. Una forza coesiva si genera tra le particelle elementari tenendole unite e opponendosi e eventuali forze esterne che tendono a separarle.
Ad esempio l’acqua non bagna le superfici cerate perché le forze coesive all’interno delle gocce sono più forti delle forze adesive tra le gocce e la cera mentre bagna il vetro e si diffonde su di esso perché le forze adesive tra il liquido e il vetro sono più forti delle forze coesive all’interno dell’acqua.
Questo tipo di forze determinano la concavità o la convessità del menisco che si forma quando un liquido è presente in un contenitore ed è più evidente quando il contenitore ha una sezione piccola come, ad esempio, una buretta. Quando le forze coesive tra le molecole del liquido sono maggiori delle forze adesive tra il liquido e le pareti del contenitore, la superficie del liquido è convessa come avviene per il mercurio in cui la parte centrale del liquido è più alta di quella a contatto col contenitore.
Quando la forza di adesione del liquido con il contenitore è maggiore alla forza di coesione si ha un menisco concavo in cui la parte centrale del liquido è più bassa rispetto a quella a contatto con il contenitore come avviene, ad esempio con l’acqua.
Angolo di contatto e bagnabilità
La bagnabilità è misurata dall’angolo di contatto e nel caso dell’acqua è usato per stimare l’idrofilicità o l’idrofobicità della superficie di un materiale.
L’angolo di contatto noto anche come angolo di bagnabilità si forma quando una goccia di liquido è posizionata su una superficie del materiale. La tensione superficiale del liquido e l’attrazione del liquido verso la superficie fanno sì che la goccia formi una semisfera.
Se la goccia è piccola e la tensione superficiale del liquido è alta, formerà un emisfero perfetto. Il punto in cui il perimetro di una goccia di liquido, l’interfaccia liquido-solido e il solido si incontrano è chiamato punto di contatto.
L’angolo di contatto è definito come l’angolo tra una tangente alla superficie liquida e la superficie solida in questo punto e il suo valore è una misura della probabilità che la superficie venga bagnata dall’acqua.
Bassi valori dell’angolo di contatto dimostrano una tendenza dell’acqua a diffondersi e ad aderire alla superficie, mentre alti valori dell’angolo di contatto mostrano la tendenza della superficie a respingere l’acqua.
Se la goccia di liquido gocciola sulla superficie come nel caso di una goccia d’acqua su un capo di abbigliamento resistente all’acqua il perimetro della goccia diminuisce e l’angolo di contatto aumenta.
Bagnabilità e equazione di Young
Il concetto di bagnabilità e angolo di contatto può essere fatto risalire all’equazione di Young proposta nel 1805 dovuta allo scienziato britannico Thomas Young.
L’equazione fu stabilita assumendo che esista una superficie solida ideale con proprietà lisce, inerti, indeformabili e omogenee, e la gocciolina liquida è identificata come un’entità coerente. Quando la goccia di liquido è posta su una superficie, il sistema tende a raggiungere uno stato di equilibrio con energia minima.
Detta γ la tensione superficiale riferita all’energia specifica alle interfacce che riflette la forza coesiva della fase condensata sottostante secondo l’equazione di Young:
cos θγ = γsv – γsl/ γlv
dove θγ rappresenta l’angolo di contatto all’equilibrio, γsv la tensione di interfaccia tra solido e vapore, γs la tensione di interfaccia solido liquido e γlv la tensione di interfaccia liquido vapore. Nell’equazione gioca quindi il ruolo fondamentale della tensione di interfaccia ma la bagnabilità delle superfici solide è influenzata anche da altri parametri quali rugosità e eterogeneità.
Applicazioni della bagnabilità
La bagnabilità è una delle proprietà superficiali più importanti la cui conoscenza è indispensabile per l’ottenimento di numerosi materiali. Con i progressi nelle ricerche e nelle tecnologie di produzione, sono state sviluppate varie superfici artificiali con bagnabilità specifica per espandere le loro applicazioni in campo industriale, agricolo e biomedico.
In particolare, sono state sviluppate numerose superfici di bagnabilità intelligenti introducendo componenti sensibili agli stimoli che possano dare una risposta a stimoli esterni come la luce, il pH e la temperatura per espandere notevolmente il loro potenziale applicativo.
Ad esempio sono stati fatti studi specifici sul polietilentereftalato in quanto la capacità di controllare il comportamento idrofobo o idrofilo può avere un forte impatto sull’imballaggio degli alimenti in modo da garantire la freschezza, la qualità e la sicurezza degli alimenti più a lungo e, a sua volta, ridurrebbe la velocità di deterioramento degli alimenti.
Un altro campo di applicazione riguarda i tessuti a bagnabilità speciale per i quali sono dimostrate prestazioni autopulenti, autoriparazione, blocco dei raggi U.V., proprietà fotocatalitiche, antibatteriche e ignifughe.