En ny membran afslører, at vandmolekyler preller af en væskeoverflade

Overvej den nærmeste vandoverflade:et halvt glas på dit skrivebord, en vandpyt uden for dit vindue, eller en sø på tværs af byen. Alle disse overflader repræsenterer væske-damp grænseflader, hvor væske møder luft. Molekyler af vanddamp kolliderer konstant med disse væskeoverflader:Nogle kommer igennem overfladen og kondenserer, mens andre simpelthen preller af.

Sandsynligheden for, at et dampmolekyle vil hoppe, eller reflektere, fra en væskeoverflade er en grundlæggende egenskab ved vand, meget ligesom dets kogepunkt. Og stadigvæk, i det sidste århundrede, der har været ringe enighed om sandsynligheden for, at et vandmolekyle vil prelle af væskeoverfladen.

"Når et vanddampmolekyle rammer en overflade, går det straks i væsken? Eller kommer den af ​​og rammer igen og igen, så gå ind til sidst?" siger Rohit Karnik, en lektor i maskinteknik ved MIT. "Der er en masse kontroverser, og der er ingen nem måde at måle denne grundlæggende egenskab på."

At kende denne hoppesandsynlighed ville give forskerne en væsentlig forståelse af en række anvendelser, der involverer vandstrømning:vandets bevægelse gennem jorden, dannelsen af ​​skyer og tåge, og effektiviteten af ​​vandfiltreringsanordninger.

Denne sidste ansøgning ansporede Karnik og hans kolleger – Jongho Lee, en MIT kandidatstuderende i maskinteknik, og Tahar Laoui, en professor ved King Fahd University of Petroleum and Minerals (KFUPM) i Saudi-Arabien - for at studere vands sandsynlighed for at hoppe. Gruppen udvikler membraner til vandafsaltning; denne teknologis succes afhænger af, delvis, på vanddampens evne til at strømme gennem membranen og kondensere på den anden side som renset vand.

Ved at observere vandtransport gennem membraner med porer i forskellige størrelser, gruppen har målt et vandmolekyles sandsynlighed for at kondensere eller prelle af en væskeoverflade på nanoskalaen. Resultaterne, udgivet i Natur nanoteknologi , kunne hjælpe med at designe mere effektive afsaltningsmembraner, og kan også udvide forskernes forståelse af vandstrømmen på nanoskala.

"Uanset hvor du har en væske-damp overflade, der vil være fordampning og kondensering, " siger Karnik. "Så denne sandsynlighed er ret universel, da det definerer, hvad vandmolekyler gør ved alle sådanne overflader."

At komme i vejen for flow

En af de enkleste måder at fjerne salt fra vand på er ved at koge og fordampe vandet – adskille det fra salte, derefter kondensere det som renset vand. Men denne metode er energikrævende, kræver meget varme.

Karniks gruppe udviklede en afsaltningsmembran, der efterligner kogeprocessen, men uden behov for varme. Den knivtynde membran indeholder porer i nanoskala, der, set fra siden, ligner små rør. Halvdelen af ​​hvert rør er hydrofilt, eller vandtiltrækkende, mens den anden halvdel er hydrofob, eller vandafvisende.

Når vand strømmer fra den hydrofile til den hydrofobe side, det skifter fra væske til damp ved væske-damp-grænsefladen, simulering af vands overgang under kogningsprocessen. Dampmolekyler, der rejser til den flydende opløsning i den anden ende af nanoporen, kan enten kondensere ind i den eller hoppe ud af den. Membranen tillader højere vandstrømningshastigheder, hvis flere molekyler kondenserer, frem for at hoppe.

At designe en effektiv afsaltningsmembran kræver en forståelse af, hvad der kan forhindre vand i at strømme igennem den. I tilfældet med forskernes membran, de fandt ud af, at modstand mod vandstrøm kom fra to faktorer:længden af ​​nanoporerne i membranen og sandsynligheden for, at et molekyle ville hoppe, i stedet for at kondensere.

I forsøg med membraner, hvis nanoporer varierede i længde, holdet observerede, at større porelængde var den vigtigste faktor, der forhindrede vandstrømmen - dvs. jo større afstand et molekyle skal rejse, jo mindre sandsynligt er det at krydse membranen. Når porerne bliver kortere, bringe de to flydende opløsninger tættere på hinanden, denne effekt aftager, og vandmolekyler har en bedre chance for at komme igennem.

Men i en vis længde, forskerne fandt ud af, at modstand mod vandstrøm primært kommer fra et molekyles sandsynlighed for at hoppe. Med andre ord, i meget korte porer, strømmen af ​​vand er begrænset af muligheden for, at vandmolekyler preller af væskeoverfladen, snarere end deres rejser over nanoporerne. Da forskerne kvantificerede denne effekt, de fandt ud af, at kun 20 til 30 procent af vanddampmolekylerne, der rammer væskeoverfladen, faktisk kondenserer, med flertallet, der hopper væk.

Et no-bounce design

De fandt også, at et molekyles hoppesandsynlighed afhænger af temperaturen:64 procent af molekylerne vil hoppe ved 90 grader Fahrenheit, mens 82 procent af molekylerne vil hoppe ved 140 grader. Gruppen kortlagde vands sandsynlighed for at hoppe i forhold til temperatur, producerer en graf, som Karnik siger, at forskere kan henvise til ved beregning af nanoskalastrømme i mange systemer.

"Denne sandsynlighed fortæller os, hvordan forskellige porestrukturer vil fungere med hensyn til flux, " siger Karnik. "Hvor kort skal vi gøre poren, og hvilke strømningshastigheder får vi? Denne parameter påvirker direkte designovervejelserne for vores filtreringsmembran."

Lee siger, at det at kende sandsynligheden for, at vand hopper, også kan hjælpe med at kontrollere fugtniveauet i brændselsceller.

"Et af problemerne med protonudvekslingsmembranbrændselsceller er, efter at brint og ilt reagerer, vand genereres. Men hvis du har dårlig kontrol over vandstrømmen, du vil oversvømme selve brændselscellen, " siger Lee. "Den slags brændselscelle involverer membraner og strukturer i nanoskala. Hvis du forstår den korrekte adfærd af vandkondensering eller fordampning på nanoskala, du kan kontrollere brændselscellens fugtighed og opretholde en god ydeevne hele tiden."