_ Modelul de hidrogel bioinspirat îmbunătățește apa atmosferică recoltarea prin direcția direcțională a picăturilor

Apa din aer provine atât din evaporare naturală, cât și din evaporare forțată, condensul fiind etapa finală și crucială în recoltarea apei. Condensarea implică nuclearea, creșterea și scurgerea picăturilor de apă, care sunt apoi colectate.

Cu toate acestea, creșterea necontrolată a picăturilor condensate care duce la inundarea suprafeței este o provocare presantă din cauza forțelor motrice insuficiente, reprezentând o amenințare pentru durabilitate. condens.

Un studiu, condus de Prof. Jiuhui Qu, Dr. Qinghua Ji și Dr. Wei Zhang de la Universitatea Tsinghua, se concentrează pe abordarea deficitului de apă prin explorarea recoltării apei atmosferice. Lucrarea este publicată în jurnalul National Science Review.

Pentru a accelera acest proces și pentru a obține scurgerea ordonată și rapidă a picăturilor de pe suprafața de condensare, echipa s-a inspirat din natură. Ei au observat că diavolul spinos australian a răspândit eficient picăturile, cum ar fi ploile, roua și apa din iaz, de la solzii săi către canalele capilare dintre solzi, conectându-se în cele din urmă la gura sa.

Acest mecanism natural a făcut apa mai ușoară. a depozita si a consuma. În plus, echipa sa inspirat din pești, în special somn, care posedă un strat de mucus epidermic care reduce rezistența la înot și îmbunătățește adaptabilitatea la mediile apoase. Aceste perspective din natură abordează provocările navigării ordonate a picăturilor și, respectiv, vărsării picăturilor cu rezistență redusă.

Echipa de cercetare a folosit fibre de hidrogel pentru a crea un model proiectat pe sticlă, încorporând caracteristicile avantajoase atât ale șopârlelor, cât și ale somnului. .

Fibra de hidrogel este o rețea întrepătrunsă de alginat de sodiu și alcool polivinilic cu o suprafață și o structură arcuită parțial polimerizate. Suprafața, împodobită cu lanțuri –OH și –COOH ramificate, prezintă o afinitate puternică pentru moleculele de apă.

Această afinitate, cuplată cu structura arcului, oferă suficientă forță motrice pentru ca picăturile să se deplaseze de la substratul de condensare la fibra de hidrogel. Simultan, lanțurile ramificate –OH și –COOH pot reține moleculele de apă chiar și după ce picăturile părăsesc suprafața, ajutând la formarea unui film de apă precursor care lubrifiază alunecarea picăturilor.

Pentru a observa mișcarea picăturilor, moleculele fluorescente au fost utilizate ca sonde. Traiectoriile capturate au relevat o rată de migrare impresionantă, cu picături formate pe sticlă pompate rapid către fibra de hidrogel, regenerând astfel locurile de condensare.

Succesul constă în aplicarea concomitentă a gradienților chimici de umectare și a presiunii Laplace. diferență între fibra de hidrogel și sticlă. Efectul de pompare a dus la o reducere de peste 40% a energiei sistemului de suprafață de condensare a picăturilor, acționând ca sursă de forță motrice. „Acest lucru este similar cu dispersia direcțională a apei peste tegumentele șopârlelor”, notează profesorul Qu.

Cercetătorii au observat, de asemenea, diferențe în mișcarea apei pe suprafața fibrei de hidrogel în comparație cu cea de pe sticlă. Pe sticlă, picăturile au avansat ca o unitate de coeziune cu formarea succesivă de noi unghiuri de avansare, ducând la amestecarea completă a sondelor fluorescente în picătură în timpul avansării.

În schimb, alunecarea picăturilor pe suprafața fibrei de hidrogel a prezentat un comportament stratificat. Stratul interior de apă s-a lipit de suprafața hidrogelului, în timp ce stratul exterior a alunecat fără contact direct cu suprafața hidrogelului.

„Lanțurile atârnând peste suprafața hidrogelului acționează ca stratul de mucus al somnului, lubrifiind frecarea dintre picături și suprafața de condensare”, explică dr. Ji.

Acest model de fibre de hidrogel proiectat a crescut rata de condensare cu 85,9% fără a necesita energie externă. Mai mult, a fost aplicat cu succes pentru a spori rata de colectare a apei din purificarea apei prin evaporare solară cu 109%.

Acest studiu nu numai că oferă perspective asupra fenomenelor naturale, dar marchează și o nouă încercare de a manipula mișcarea picăturilor pentru condens. Descoperirile pun bazele eforturilor viitoare de descoperire a fenomenelor și de traducere a teoriilor în aplicații practice.

(Fluierul)