Klatring af dråber kan føre til mere effektiv vandhøstning

Forskere fra University of Texas i Dallas har opdaget, at en ny overflade, de udviklede til at høste vand fra luften, tilskynder små vanddråber til at bevæge sig spontant til større dråber.

Da forskere placerede mikrodråber af vand på deres væske-smøremiddeloverflade, mikrodråberne drev sig selv til at klatre, uden ydre kraft, i større dråber langs en olieagtig, rampeformet menisk, der dannes af smøremidlet omkring de større dråber. "Fænomenet med groftende dråber" dannede dråber, der var store nok til høst.

"Denne menisk-medierede klatreeffekt muliggjorde hurtig sammensmeltning på hydrofile overflader og er ikke blevet rapporteret før. Vi har opdaget et nyt fysisk fænomen, der gør det muligt at høste vand hurtigere fra luften uden ekstern kraft, "sagde Dr. Xianming Dai, assisterende professor i maskinteknik ved Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science, der ledede arbejdet. "Hvis vi ikke har dette nye fænomen, dråberne ville være for små, og vi kunne næsten ikke samle dem."

Mikrodråber af vand på en hydrofil SLIPS -overflade (til venstre) driver sig selv til at klatre, uden ydre kraft, i større dråber langs en olieagtig, rampeformet menisk, der dannes af smøremidlet omkring de større dråber. Til højre, videoklippet viser, hvordan mikrodråber opfører sig på en solid glat overflade.

Fundene, udgivet 25. marts i Cell Rapporter Fysisk Videnskab , kunne løse centrale problemer med at høste vand fra luften. Mange dråber, der kondenserer fra vanddamp i luften, er for små til at blive opsamlet, og de kan dække en overflade på en måde, der forhindrer yderligere kondensering.

Udvikling af nye teknologier, der høster vand fra atmosfæren, er et voksende forskningsfelt, da flere og flere mennesker bor i områder, hvor der er mangel på ferskvand. Forskere anslår, at 4 milliarder mennesker bor i regioner med alvorlig ferskvandsmangel i mindst en måned hvert år. Dette tal forventes at stige til mellem 4,8 milliarder og 5,7 milliarder i 2050. Årsagerne omfatter klimaændringer, forurenede vandforsyninger og øget efterspørgsel på grund af både befolkningstilvækst og ændringer i brugsadfærd.

Nøglen til mikrodråbens selvklatrende handling er en overflade, som Dai og hans kolleger tidligere har udviklet. Deres flydende smøremiddel, en hydrofil glat væskeinfunderet porøs overflade (SLIPS), har en unik hydrofil natur til vandopsamling og leder hurtigt vanddråber ind i reservoirer.

Forskere opdagede det selvkørende dråbefænomen på deres overflade ved et uheld. De testede forskellige smøremidler for at afgøre, hvilke der bedst kunne lette vandhøstning, da de så de mindre vanddråber drive sig selv til større dråber. Det fik dem til at samarbejde med Dr. Howard A. Stone, formand for maskin- og rumfartsteknik ved Princeton University og ekspert i væskedynamik, at undersøge fænomenets underliggende fysik.

"Dr. Dai og hans team ledede dette arbejde. Idéerne er kreative, og de lavede en række observationer i laboratoriet, der gjorde det muligt for dem at forstå den underliggende fysik og dens potentielle anvendelser, "Sagde Stone." De rakte ud til mig for at diskutere mekanismen, og vi havde flere Skype- eller Zoom-møder og e-mail-udvekslinger. Det hele var meget interessant og stimulerende. Jeg nød meget at se ideerne udvikle sig til det publicerede papir. "

Når vanddamp kondenserer på væske-smøremiddeloverfladen, olie fra smøremidlet danner en menisk, eller krumning, omkring dråberne. Menisken ligner en opadbøjet rampe, som fungerer som en bro, langs hvilken mikrodråber spontant klatrer mod og smelter sammen med større vanddråber, en proces, forskerne kalder for forgrovningseffekten. Egenskaberne af den smurte overflade forhindrer vanddråberne i at blive helt nedsænket i olien, så de kan flyde på olien, giver dem mulighed for at klatre.

"Oliemenisken fungerer som en bro, så dråben kan klatre på den, " sagde Dai. "Den lille dråbe leder aktivt efter en større. Efter at de er forbundet med broen, de bliver ét."

Når små vanddråber kondenserer fra luft på en afkølet overflade, de bliver til termiske barrierer, der forhindrer yderligere kondens. Ved at tillade hurtig opsamling af vanddråber, de groftende dråber hjælper med at rydde overflader, så nye dråber kan dannes, hvilket letter hurtigere, mere effektiv vandopsamling.

Den selvkørende groftende dråbe på hydrofile SLIPS viser hurtig fjernelse af kondenserede dråber på submikrometerstørrelse, uanset hvordan overfladen er orienteret, som præsenterer en lovende tilgang sammenlignet med andre overflader, der bruges til vandopsamling.

"Vi kan ikke høste en stor mængde vand, medmindre vi har en hurtig høstproces. Problemet med andre overflader er, at de små vanddråber kan fordampe, før de kan høstes, "Sagde Dai.

"Baseret på vores eksperimentelle data, den grove overflade øgede vandopsamlingshastigheden 200 % højere end dens modstykker, " sagde Zongqi Guo, en ph.d.-studerende i maskinteknik og medhovedforfatter. Dai og hans kolleger fortsætter med at arbejde på måder at bruge deres smøremiddel til at lave bæredygtige vandopsamlingssystemer, der er mobile, mindre i størrelsen, lavere i vægt og billigere.

"Hvis vi kan gøre det, vi kan høste vand overalt, hvor der er luft, hvilket er særligt vigtigt i regioner, hvor vand er knap, " sagde Dai.