Bioinspireret hydrogelmønster forbedrer atmosfærisk vandopsamling via retningsbestemt dråbestyring

Vandet i luften stammer fra både naturlig og tvungen fordampning, hvor kondens er det sidste og afgørende trin i vandopsamlingen. Kondensering involverer kernedannelse, vækst og udskillelse af vanddråber, som derefter opsamles.

Ukontrollabel vækst af kondenserede dråber, der fører til overfladeoversvømmelser, er imidlertid en presserende udfordring på grund af utilstrækkelige drivkræfter, hvilket udgør en trussel mod bæredygtig kondens.

En undersøgelse, ledet af prof. Jiuhui Qu, Dr. Qinghua Ji og Dr. Wei Zhang fra Tsinghua University, fokuserer på at adressere vandknaphed ved at udforske atmosfærisk vandhøst. Værket er publiceret i tidsskriftet National Science Review .

For at fremskynde denne proces og opnå velordnet og hurtig dråbeafgivelse fra den kondenserende overflade, tog teamet inspiration fra naturen. De observerede, at den australske tornede djævel effektivt spredte dråber, såsom regn, dug og damvand, fra dens skæl til kapillære kanaler mellem skællene, som til sidst forbindes til dens mund.

Denne naturlige mekanisme gjorde vand lettere at opbevare og indtage. Derudover hentede holdet inspiration fra fisk, især havkat, som har et epidermalt slimlag, der reducerer svømmemodstanden og forbedrer tilpasningsevnen til vandige miljøer. Disse indsigter fra naturen adresserer udfordringerne med henholdsvis velordnet dråbenavigation og dråbeudslip med lavt træk.

Forskerholdet brugte hydrogelfibre til at skabe et konstrueret mønster på glas, der inkorporerede de fordelagtige egenskaber fra både firben og havkat.

Hydrogelfiberen er et gennemtrængt netværk af natriumalginat og polyvinylalkohol med en delvis polymeriseret overflade og buestruktur. Overfladen, prydet med forgrenede –OH- ​​og –COOH-kæder, udviser en stærk affinitet for vandmolekyler.

Denne affinitet, koblet med buestrukturen, giver tilstrækkelig drivkraft til, at dråber kan bevæge sig fra det kondenserende substrat til hydrogelfiberen. Samtidig kan de forgrenede –OH- ​​og –COOH-kæder tilbageholde vandmolekyler, selv efter at dråber forlader overfladen, hvilket hjælper med dannelsen af ​​en precursor-vandfilm, der smører dråbeglidning.

For at observere dråbebevægelse blev fluorescerende molekyler brugt som prober. De fangede baner afslørede en imponerende migrationshastighed, med dråber dannet på glasset, der hurtigt blev pumpet til hydrogelfiberen, og derved regenererede kondenseringsstederne.

Succesen ligger i den samtidige anvendelse af kemiske befugtningsgradienter og Laplace-trykforskellen over hydrogelfiberen og glasset. Pumpeeffekten resulterede i en reduktion på over 40% i energien af ​​det dråbekondenserende overfladesystem, der fungerede som drivkraftkilden. "Dette svarer til den retningsbestemte vandspredning over firbens integumenter," bemærker professor Qu.

Forskerne observerede også forskelle i vandets bevægelse på hydrogelfiberoverfladen sammenlignet med glas. På glasset rykkede dråberne frem som en sammenhængende enhed med successiv dannelse af nye fremadskridende vinkler, hvilket resulterede i fuldstændig blanding af fluorescerende prober i dråben under fremføring.

I modsætning hertil udviste dråbeglidning på hydrogelfiberoverfladen en lagdelt adfærd. Det indre lag af vand bundet til hydrogeloverfladen, mens det ydre lag gled uden direkte kontakt med hydrogeloverfladen.

"De dinglende kæder over hydrogeloverfladen virker som mallens slimlag og smører friktionen mellem dråberne og den kondenserende overflade," forklarer Dr. Ji.

Dette konstruerede hydrogelfibermønster øgede kondensationshastigheden med 85,9 % uden at kræve ekstern energitilførsel. Desuden blev det med succes anvendt til at øge vandopsamlingshastigheden for solfordampningsvandrensning med 109 %.

Denne undersøgelse giver ikke kun indsigt i naturfænomener, men markerer også et nyt forsøg på at manipulere dråbebevægelse til kondens. Resultaterne danner grundlaget for fremtidige bestræbelser på at opdage fænomener og omsætte teorier til praktiske anvendelser.

Flere oplysninger: Wei Zhang et al., Pumping og glidning af dråber styret af et hydrogelmønster til atmosfærisk vandindsamling, National Science Review (2023). DOI:10.1093/nsr/nwad334

Leveret af Science China Press