Slukker verdens vand- og energikriser, en lille dråbe ad gangen

I Namib-ørkenen i Afrika, den tågefyldte morgenvind fører drikkevandet til en bille kaldet Stenocara.

Små dråber samler sig på billens ujævn ryg. Områderne mellem bumpene er dækket af et voksagtigt stof, der gør dem vandafvisende, eller hydrofob (vandfrygtig). Vand ophobes på den vandglade, eller hydrofil, stød, danner dråber, der til sidst vokser for store til at blive siddende, Rul derefter den voksagtige overflade ned.

Billen slukker tørsten ved at vippe ryggen opad og nippe til de ophobede dråber, der falder ind i dens mund. Utroligt, billen samler nok vand gennem denne metode til at drikke 12 procent af sin kropsvægt hver dag.

For mere end ti år siden, nyheder om dette væsens effektive vandopsamlingssystem inspirerede ingeniører til at prøve at reproducere disse overflader i laboratoriet.

Fremskridt i lille skala inden for flydende fysik, materialeteknik og nanovidenskab siden dengang har bragt dem tæt på at lykkes.

Disse små udviklinger, imidlertid, har udsigt til at føre til ændringer i makroskala. At forstå, hvordan væsker interagerer med forskellige materialer, kan føre til mere effektiv, billige processer og produkter, og kan endda føre til flyvinger, der er uigennemtrængelige for is og selvrensende vinduer.

Beetle bump i laboratoriet

Ved hjælp af forskellige metoder til at skabe indviklede mønstrede overflader, ingeniører kan lave materialer, der tæt efterligner billens ryg.

"For ti år siden havde ingen evnen til at mønstre overflader som denne på nanoskalaen, " siger Sumanta Acharya, programdirektør for National Science Foundation (NSF). "Vi observerede naturligt hydrofobe overflader som lotusbladet i årtier. Men selvom vi forstod det, hvad kan vi gøre ved det?"

Hvad forskere har gjort er at skabe overflader, der er så fremragende til at frastøde eller tiltrække vand, at de har tilføjet en "super" forrest i deres beskrivelse:superhydrofobisk eller superhydrofil.

Mange superhydrofobe overflader skabt af kemiske belægninger findes allerede på markedet (vandafvisende sko! Skjorter! IPhones!).

Imidlertid, mange forskere fokuserer på materialer med fysiske elementer, der gør dem superhydrofobe.

Disse materialer har søjler i mikro- eller nanostørrelse, pæle eller andre strukturer, der ændrer vinklerne, hvormed vanddråber kommer i kontakt med deres overflade. Disse kontaktvinkler afgør, om en vanddråbe perler op som en teeny krystalkugle eller slapper lidt af og hviler på overfladen som en spildt milkshake.

Ved at variere layoutet på disse overflader, forskere kan nu fælde, direkte og frastøde små mængder vand til en række nye formål.

"Vi kan nu gøre ting med væsker, vi kun havde forestillet os før, " siger maskiningeniør Constantine Megaridis ved University of Illinois i Chicago. Megaridis og hans team har to NSF-stipendier fra Engineering Directorate's Division of Chemical, Bioingeniør, Miljø- og transportsystemer.

"Udviklingen har gjort os i stand til at skabe enheder - enheder med potentiale til at hjælpe menneskeheden - som gør tingene meget bedre end nogensinde før, " han siger.

Megaridis har brugt sine bille-inspirerede designs til at sætte præcise, teksturerede mønstre på billige materialer, laver mikrofluidiske kredsløb.

Plaststrimler med superhydrofile centre og superhydrofobe omgivelser, der kombinerer eller adskiller væsker, har potentialet til at tjene som platforme for diagnostiske tests (se "Vanddråbernes tur").

"Forestil dig, at du vil bringe dråber blod eller vand eller væske til et bestemt sted, "Forklarer Megaridis." Ligesom en motorvej, vejen er striben for væsken til at rejse ned, og det ender med at samle sig i en væskelagertank på overfladen. "Opbevaringstanken kan indeholde et reaktivt middel. Medicinsk personale kunne bruge engangsstrimlerne til at teste vandprøver til E. coli, for eksempel.

Enheder som disse – skabt i ingeniørlaboratorier – arbejder sig nu til markedspladsen.

Vand, vand i luften

NBD Nanoteknologier, en Boston-baseret virksomhed finansieret af NSF's Small Business Technology Transfer-program, har til formål at opskalere holdbarheden og funktionaliteten af ​​overfladebelægninger til industriel brug.

En af de mest virkningsfulde applikationer til superhydrofob eller hydrofob forskning er forbedret kondenseringseffektivitet. Når vanddamp kondenserer til en væske, det danner typisk en film. Den film er en barriere mellem dampen og overfladen, gør det sværere for andre dråber at dannes. Hvis den film kan forhindres ved at piske dråber væk umiddelbart efter, at de er kondenseret - for eksempel med en superhydrofob overflade - kondensationshastigheden stiger.

Kondensatorer er overalt. De er i dit køleskab, bil og klimaanlæg. Mere effektiv kondensering ville lade alt dette udstyr fungere med mindre energi. Bedre effektivitet er især vigtigt på steder, hvor storstilet køling er altafgørende, såsom kraftværker.

"NBD laver mere holdbare belægninger, der spænder over store overflader, " siger NBD Nanotechnologies seniorforsker Sara Beaini. "Holdbarhed er en vigtig faktor, fordi når du arbejder på mikroniveau, er du afhængig af at have en uberørt overfladestruktur. Enhver mekanisk eller kemisk afslidning, der forvrænger overfladestrukturerne, kan hurtigt reducere eller eliminere de fordelagtige overfladeegenskaber betydeligt."

NBD, som du måske har gættet står for Namib Beetle Design, har indgået et samarbejde med Megaridis og andre for at forbedre holdbarheden, den største udfordring i at kommercialisere superhydrofob forskning. Power plant condensers with durable hydrophobic or superhydrophobic coatings could be more efficient. And with water and energy shortages looming, partnerships such as theirs that help to transfer this breakthrough from the lab to the outside world are increasingly valuable.

Other groups have applied hydrophobic patterning methods in clever ways.

Kripa Varanasi, mechanical engineer at MIT and NSF CAREER awardee, has applied superhydrophobic coatings to metal, ceramics and glass, including the insides of ketchup bottles. Julie Crockett and Daniel Maynes at Brigham Young University developed extreme waterproofing by etching microscopic ridges or posts onto CD-sized wafers.

With all these cross-country efforts, many are optimistic for a future where people in dry areas can harvest fresh water from a morning wind, and lower their energy needs dramatically.

"If someone comes up with a really cheap solution, then applications are waiting, " said Rajesh Mehta, NSF Small Business Innovation Research/Small Business Technology Transfer program director.