Исследователи Техасского университета в Далласе обнаружили, что новая поверхность, которую они разработали для сбора воды из воздуха, побуждает крошечные капли воды самопроизвольно превращаться в более крупные капли.
Когда исследователи поместили микрокапли воды на их жидкую смазочную поверхность, микрокапли сами поднялись, без внешней силы, в более крупные капли вдоль маслянистого мениска в форме рампы, который формируется из смазки вокруг более крупных капель.«Феномен укрупнения капель» образовывал капли, достаточно большие для сбора урожая.
«Этот эффект подъема, опосредованный мениском, обеспечивает быстрое слияние на гидрофильных поверхностях, и о нем раньше не сообщалось. Мы обнаружили новое физическое явление, которое позволяет быстрее собирать воду из воздуха без внешней силы», - сказал доктор. Сяньмин Дай, доцент кафедры машиностроения в Школе инженерии и компьютерных наук Эрика Йонссона, руководивший работой. «Если бы у нас не было этого нового явления, капли были бы слишком малы, и мы вряд ли смогли бы их собрать».
Микрокапли воды на гидрофильной поверхности SLIPS (слева) движутся вверх, без внешней силы, в более крупные капли вдоль маслянистого наклонного мениска, который формируется из смазки вокруг более крупных капель. Справа в видеоролике показано, как микрокапли ведут себя на твердой скользкой поверхности.
Выводы, опубликованные 25 марта в журнале Cell Reports Physical Science, могут решить ключевые проблемы сбора воды из воздуха. Многие капли, которые конденсируются из водяного пара в воздухе, слишком малы, чтобы их можно было собрать, и они могут покрывать поверхность таким образом, что препятствуют дальнейшей конденсации.
Разработка новых технологий сбора воды из атмосферы является растущей областью исследований, поскольку все больше и больше людей живут в районах, где не хватает пресной воды. По оценкам ученых, 4 миллиарда человек живут в регионах с острой нехваткой пресной воды не менее одного месяца в году. По прогнозам, к 2050 году это число вырастет до 4,8-5,7 млрд человек. Причины включают изменение климата, загрязнение воды и увеличение спроса из-за роста населения и изменения поведения пользователей.
Ключом к самоподъемному действию микрокапли является поверхность, которую ранее разработали Дай и его коллеги. Их жидкая смазка, гидрофильная скользкая пористая поверхность, пропитанная жидкостью (SLIPS), обладает уникальной гидрофильной природой для сбора воды и быстро направляет капли воды в резервуары.
Исследователи случайно обнаружили феномен самодвижущихся капель на их поверхности. Они тестировали различные смазочные материалы, чтобы определить, какие из них могут лучше всего способствовать сбору воды, когда увидели, что более мелкие капли воды превращаются в более крупные капли. Это побудило их сотрудничать с доктором Говардом А. Стоуном, заведующим кафедрой машиностроения и аэрокосмической инженерии Принстонского университета и экспертом в области гидродинамики, для изучения физических явлений, лежащих в основе этого явления.
"Доктор Дай и его команда руководили этой работой. Идеи креативны, и они провели ряд наблюдений в лаборатории, которые позволили им понять лежащую в основе физику и ее потенциальные приложения", - сказал Стоун. «Они связались со мной, чтобы обсудить механизм, и у нас было несколько встреч по Skype или Zoom и обмен электронными письмами. Все это было очень интересно и стимулирующе. Мне очень понравилось наблюдать, как идеи воплощаются в опубликованную статью».
Поскольку водяной пар конденсируется на поверхности жидкости-смазки, масло из смазки образует мениск или кривизну вокруг капель. Мениск выглядит как изогнутая вверх рампа, которая действует как мост, по которому микрокапли спонтанно поднимаются и сливаются с более крупными каплями воды. Этот процесс исследователи называют эффектом укрупнения. Свойства смазанной поверхности предотвращают полное погружение капель воды в масло, поэтому они могут плавать на масле, позволяя им подниматься.
«Масляный мениск действует как мост, поэтому капля может подняться по нему», - сказал Дай. "Маленькая капля активно ищет большую. После того, как они соединяются мостом, они становятся одним целым."
Когда крошечные капельки воды конденсируются из воздуха на охлаждаемой поверхности, они становятся тепловыми барьерами, предотвращающими дальнейшую конденсацию. Обеспечивая быстрый сбор капель воды, укрупняющиеся капли помогают очищать поверхности для образования новых капель, что способствует более быстрому и эффективному сбору воды.
Самоходная укрупняющая капля на гидрофильных SLIPS демонстрирует быстрое удаление конденсированных капель субмикрометрового размера независимо от того, как ориентирована поверхность, что представляет собой многообещающий подход по сравнению с другими поверхностями, используемыми для сбора воды.
«Мы не можем собрать большое количество воды, если у нас не будет быстрого процесса сбора. Проблема с другими поверхностями заключается в том, что маленькие капли воды могут испариться до того, как их можно будет собрать», - сказал Дай.
«Исходя из наших экспериментальных данных, грубая поверхность увеличила скорость сбора воды на 200% по сравнению с аналогами», - сказал Цзунци Го, докторант машиностроения и соавтор. Дай и его коллеги продолжают работать над тем, как использовать их смазку для создания устойчивых систем сбора воды, которые будут мобильными, меньшими по размеру, меньшим по весу и менее дорогими.
«Если мы сможем это сделать, мы сможем собирать воду везде, где есть воздух, что особенно важно в регионах с дефицитом воды», - сказал Дай.
Исследование финансировалось Национальным научным фондом и Военным исследовательским бюро.