Undersøge vand af en elektrificerende årsag

Et eksperiment, elegant i sin enkelhed, hjælper med at forklare, hvorfor vand bliver elektrificeret, når det rører hydrofobe overflader.

I over et århundrede, videnskabsmænd er blevet forundret over elektrificeringen af ​​vand, når det bringes i kontakt med vandafvisende eller 'hydrofobe' materialer, såsom paraffinvoks, olier, luftbobler og perfluorerede membraner og plader. De underliggende mekanismer er fortsat heftigt diskuteret. Nu, et team af KAUST-ingeniører har løst vandets roller, hydrofobicitet og miljøfaktorer i denne proces. Dette grundlæggende bidrag kunne støtte udviklingen af ​​bedre enheder til mikrofluidik og nanofluidik og til at generere ren energi.

"Hydrofobe overflader er ret almindelige, " bemærker Jamilya Nauruzbayeva, Ph.D. studerende og hovedforfatter af undersøgelsen. "For eksempel, polypropylen og perfluorerede pipetter, rør, belægninger og membraner er hydrofobe overflader, der bruges til mange grundlæggende videnskaber og tekniske applikationer. Dermed, det er vigtigt at forstå, hvilke mekanismer der er på spil for at forbedre dem og udvikle nye."

Himanshu Mishra, som udtænkte og ledede denne undersøgelse, siger, at han har tænkt på dette problem i over fem år. "At sondere vandoverfladen er en uhyggelig vanskelig opgave, fordi tykkelsen af ​​grænseflader er nede på molekylær skala, som ingen eksperimentelle teknikker kan undersøge utvetydigt, " forklarer Mishra.

"Dette er et elektrificerende emne ved vandkonferencer; gennem årene, gennem eksperimenter og teori, flere konkurrerende faktorer og mekanismer er blevet foreslået, " siger Mishra. Disse omfatter, for eksempel, vandmolekylets dipolære natur; den øjeblikkelige ladningsoverførsel mellem grænsefladevandmolekyler og hydrofober; opløsning af atmosfærisk CO2 i vand; og grænsefladeakkumulering af iboende ioner af vand (dvs. hydroxid og hydroniumioner).

Mishra og hans elever gik sammen med Carlos Santamarina for at designe elementære eksperimenter for at løse vandets rolle, dets ioner og pH, hydrofobicitet af overflader, og miljømæssige faktorer, såsom relativ luftfugtighed og CO2-indhold.

Ved hjælp af en parallelpladekondensator, de udsatte "vedhængende" dråber dannet fra hydrofobe kapillærer reagerer på ensartede elektriske felter. Konkurrencen mellem deres vægt og den elektriske kraft vippede vedhængsdråberne, som afslørede deres anklage.

Næste, de brugte et elektrometer – i stand til at måle ladninger ned til nogle få elektroner – til at måle ladningen af ​​vandreservoirerne, hvorfra dråberne blev trukket tilbage. De opdagede, at når en vanddråbe trækkes tilbage ved hjælp af en hydrofob kapillær, vandreservoiret får en lige stor og modsat negativ ladning. Dette er ikke tilfældet, når du bruger en glaskapillar.

"Fra disse eksperimentelle resultater, vi kunne udlede, at disse hydrofobe overflader bar negativ overfladeladning, selv i luften, hvilket er ret kontraintuitivt, " forklarer Nauruzbayeva. "Når overfladen indsættes i vand, positive ioner tiltrækkes mod det, og negative ioner frastødes. Hydrofobicitet sikrer, at væsken forsvinder fra overfladen uden at efterlade en hinde."

"Denne opdagelse blev født ud af en dyb forståelse af de videnskabelige begreber kombineret med simpel videnskabelig elegance, " siger Santamarina. Mishra er enig ved at konkludere, at "styrken af ​​vores bidrag ligger i dets enkelhed."