Dansende dråber nyt spin på vandhøst

En mere effektiv måde at fange ferskvand fra luften på kunne være inspireret af et bevægelsesfænomen, der først anes i skåle med morgenmadsprodukter.

KAUST-forskere har observeret, at når vanddråber kondenserer fra luften på en kold overflade belagt med olie, begynder dråberne en kompleks dans. Denne bevægelse - beslægtet med en proces kendt som Cheerios-effekten, hvorved det flydende korn har en tendens til at klynge sig sammen på grund af overfladespænding - kunne hjælpe med at fremskynde høsten af ​​vand fra atmosfæren i tørre områder som Saudi-Arabien.

"Vi er interesserede i at designe overflader, der kan fremme kondensering af vand, som har vigtige varmeoverførsels- og vandopsamlingsanvendelser," siger Marcus Lin, en forskningsstipendiat i laboratoriet hos Dan Daniel, der ledede forskningen. På en typisk fast overflade klæber kondenserede dråber til overfladen med minimal bevægelse. "Tænk på vand, der kondenserer på en kold sodavandsdåse," siger Lin. "Dråberne bevæger sig først, når de bliver store nok til, at tyngdekraften kan trække dem ned."

Daniel, Lin og deres samarbejdspartnere havde den idé, at tilføjelse af en tynd oliefilm ville smøre overfladen, hvilket resulterede i meget mobile dråber, der ville frigøre plads til yderligere dråbekondensering, hvilket øgede kondensationshastigheden. Ideen virkede - men de komplekse måder, hvorpå dråberne bevægede sig, var en komplet overraskelse, siger Daniel.

Da dråberne voksede til en kritisk størrelse, begyndte de at bevæge sig hen over olien i et tydeligt mønster, der ligner en udførlig dans. "De bevægede sig oprindeligt på en serpentin måde, før de gik over i cirkulære bevægelser og derefter tilbage igen," siger Lin. "Disse bevægelser fandt sted på tværs af skalaer fra mikrometer til flere centimeter, og de varede i timevis."

Drivkraften for processen er, at - ligesom Cheerios i mælk - vanddråber, der flyder på olien, trækkes mod deres naboer. De større dråbers bevægelse drives af energi, der frigives, når de sluger mindre dråber på deres vej.

De bevægelige dråber omfordeler oliefilmen og skifter fra en serpentin til en cirkulær bevægelse, når filmen bliver lokalt udtømt. Når den lokale olie er genopbygget, genoptages den slangelignende dans.

Sådanne enheder, der effektivt kan opfange vand fra luften ved simpel kondensering, uden energitilførsel, er meget eftertragtede, efterhånden som trykket vokser på ferskvandskilder, siger Daniel. "Ved at optimere kondensdråbernes kollektive bevægelse kan vi i høj grad øge kondensationshastigheden og dermed designe mere effektive vandopsamlingssystemer," siger han.

Holdet planlægger at udforske yderligere mekanismerne, der driver dråbebevægelse, især ved at undersøge overgangen fra serpentin til cirkulær bevægelse. "Et andet vigtigt aspekt er at udforske potentielle anvendelser, især inden for varmeoverførselsforbedring og vandhøst," tilføjer Lin.

Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Physical Review Letters .

Flere oplysninger: Marcus Lin et al., Emergent Collective Motion of Self-Propelled Condensate Droplets, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.058203

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af King Abdullah University of Science and Technology