Evaporazione accelerata, fuoriuscite di petrolio ed economia della desalinizzazione dell'acqua

Ecco un puzzle interessante. I fluidi elettroreologici sono oli non conduttori che trasportano una spruzzata di nanoparticelle dielettriche, come l'ossido di titanio. Applicando un campo elettrico a questi fluidi, le nanoparticelle si uniscono, trasformando il liquido in solido.

I fluidi elettroreologici hanno tutti i tipi di applicazioni in dispositivi come ammortizzatori, freni e anche artificiali, dove gli ingegneri li usano per cambiare istantaneamente la resistenza al movimento.

Ma oggi Kunquan Lu e compagni dell'Istituto di Fisica di Pechino, in Cina, dicono che qualcosa di strano sta accadendo nel loro laboratorio dove studiano i fluidi elettroreologici da alcuni anni.

La base per i loro fluidi elettroreologici è l'olio di silicone, un fluido viscoso denso che è notevolmente robusto e stabile.

Ma Lu e compagni hanno notato qualcosa di strano quando aggiungono nanoparticelle di ossido di titanio all'olio di silicone: improvvisamente inizia ad evaporare. Hanno scoperto che in pochi giorni una frazione significativa del fluido scompare semplicemente.

È un'enorme sorpresa. L'olio di silicone puro può essere conservato per anni o addirittura decenni senza un accenno di evaporazione. È difficile immaginare cosa potrebbe indurre questa roba a fluttuare nell'aria.

Lu e co hanno studiato il fenomeno. Hanno testato nanoparticelle di diverse dimensioni e materiali, la densità della sospensione e persino due diverse forme minerali di ossido di titanio.

È facile immaginare che le nanoparticelle che galleggiano sulla superficie del liquido aumentino l'area superficiale e che sia questa a consentire un aumento della velocità di evaporazione.

Lu e co dicono che non è quello che sta succedendo nel loro laboratorio. Danno due ragioni. Innanzitutto, il tasso di evaporazione dell'olio di silicone puro è così basso che, anche se le nanoparticelle raddoppiassero la superficie, ciò non potrebbe spiegare la drammatica evaporazione che misurano.

In secondo luogo, se fosse responsabile di un aumento della superficie, dovrebbe essere possibile aumentare il tasso di evaporazione utilizzando nanoparticelle più piccole.

Ma questo non accade. Infatti, sembra esserci una granulometria ottimale al di sotto della quale la velocità di evaporazione rallenta.

Le misurazioni hanno suscitato un'altra sorpresa. Lu e co hanno testato la velocità di evaporazione con due tipi di nanoparticelle di ossido di titanio chiamate anatasio e rutilo, che hanno strutture cristalline diverse. Ed è questo che risulta avere il maggiore impatto sul tasso di evaporazione.

Capire perché è una sfida. L'ossido di titanio anatasio forma cristalli con bordi ben definiti, quindi le nanoparticelle non sono sferiche. Lu e co ipotizzano che le molecole di olio sulla superficie di un cristallo vicino a questi bordi siano meno fortemente legate rispetto ad altre molecole.

Di conseguenza, queste molecole galleggiano via più facilmente (vedi figura sopra). Ipotizziamo che sia questo processo ad accelerare l'evaporazione, ma affermano che è necessario più lavoro per caratterizzare esattamente cosa sta succedendo.

Questa è una scoperta estremamente significativa. La capacità di accelerare l'evaporazione del petrolio potrebbe avere importanti conseguenze in tutti i tipi di aree, ad esempio nel modo in cui gli ingegneri ripuliscono le fuoriuscite di petrolio e altre forme di inquinamento.

Esiste poi la possibilità di ripetere questo processo in acqua. L'evaporazione potenziata potrebbe cambiare drasticamente l'economia della desalinizzazione, portando acqua pulita a basso costo in aree che prima ne erano prive. Un aumento del tasso di evaporazione porterà a un trattamento efficace ed economico dell'acqua inquinata o alla desalinizzazione dell'acqua di mare, affermano Lu e co.

Tuttavia, se il meccanismo di Lu e compagni è corretto, l'acqua sarà più difficile da conquistare rispetto al petrolio. Poiché è meno viscoso, le nanoparticelle di ossido di titanio tendono a precipitare fuori dal liquido. Ciò renderebbe difficile attivare il meccanismo descritto da Lu e colleghi.

Tuttavia, non è escluso che i chimici trovino qualche trucco utile per impedirlo, magari con altri cristalli o con rivestimenti di un tipo o dell'altro.

Quel che è certo è che il lavoro di Lu e compagni genererà un notevole interesse. L'economia della purificazione dell'acqua e della bonifica del petrolio è della massima importanza.

Rif: arxiv.org/abs/1210.6101 : Evaporazione potenziata delle nanoparticelle di liquidi: un caso di studio di olio di silicone e acqua

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