KAUST -forskare observerade att "hängande" droppar bildade från hydrofoba kapillärer till enhetliga elektriska fält. Kredit:KAUST; Anastasia Serin
Ett experiment, elegant i sin enkelhet, hjälper till att förklara varför vatten blir elektrifierat när det rör vid hydrofoba ytor.
I över ett sekel har forskare har förbryllats av elektrifiering av vatten när det bringas i kontakt med vattenavvisande eller 'hydrofoba' material, som paraffinvax, oljor, luftbubblor och perfluorerade membran och ark. De underliggande mekanismerna är fortfarande omdebatterade. Nu, ett team av KAUST -ingenjörer har lossat vattnets roller, hydrofobicitet och miljöfaktorer i denna process. Detta grundläggande bidrag kan stödja utvecklingen av bättre enheter för mikrofluidik och nanofluidik och för att generera ren energi.
"Hydrofoba ytor är ganska vanliga, "konstaterar Jamilya Nauruzbayeva, Ph.D. student och huvudförfattare till studien. "Till exempel, polypropen och perfluorerade pipetter, rör, beläggningar och membran är hydrofoba ytor som används för många grundvetenskaper och tekniska tillämpningar. Således, Det är viktigt att förstå vilka mekanismer som spelar för att förbättra dem och utveckla nya. "
Himanshu Mishra, som tänkt och ledde denna studie, säger att han har tänkt på detta problem i över fem år. "Att undersöka vattenytan är ett oerhört svårt företag eftersom tjockleken på gränssnitt är ner till molekylskala, som ingen experimentell teknik kan sondera entydigt, "Förklarar Mishra.
"Detta är ett elektrifierande ämne vid vattenkonferenser; under åren har genom experiment och teori, flera konkurrerande faktorer och mekanismer har föreslagits, "säger Mishra. Dessa inkluderar, till exempel, vattenmolekylens dipolära natur; den momentana laddningsöverföringen mellan gränssnittsvattenmolekyler och hydrofober; upplösning av atmosfärisk CO2 i vatten; och gränssnittsackumuleringen av inneboende joner av vatten (dvs. hydroxid och hydroniumjoner).
Mishra och hans studenter samarbetade med Carlos Santamarina för att designa elementära experiment för att få ihop vattenens roll, dess joner och pH, hydrofobicitet hos ytor, och miljöfaktorer, såsom relativ luftfuktighet och CO2 -innehåll.
Med en parallellplattkondensator, de exponerade "hängande" droppar bildade av hydrofoba kapillärer svarar på enhetliga elektriska fält. Konkurrensen mellan deras vikt och den elektriska kraften lutade de hängande dropparna, som avslöjade deras anklagelse.
Hydrofoba ytor (1) är i sig negativt laddade och så när den hydrofoba kapillären (2) drar in vatten från (den neutrala) vattenreservoaren, det lockar selektivt katjoner (dvs. positivt laddade joner) som fyller det elektriska dubbelskiktet (visas i insatsen). Således, när kapillären (3) dras ut ur vattenbehållaren, den bär vatten med en nettopositiv laddning och lämnar en lika stor och motsatt laddning i vattenbehållaren. När vattnet avges (4), hydrofobicitet säkerställer att hela volymen vatten dras ut med överskottet av positiv laddning. Kredit:Nauruzbayeva et al .; KAUST; Ivan Gromicho
Nästa, de använde en elektrometer - som kan mäta laddningar upp till några elektroner - för att mäta laddningen av vattenreservoarerna varifrån dropparna togs ut. De upptäckte att när en vattendroppe dras tillbaka med hjälp av en hydrofob kapillär, vattenbehållaren får en lika och motsatt negativ laddning. Detta är inte fallet när du använder ett glas kapillär.
"Från dessa experimentella resultat, vi kunde härleda att dessa hydrofoba ytor hade negativ ytladdning, även i luften, vilket är ganska kontraintuitivt, "förklarar Nauruzbayeva." När ytan förs in i vatten, positiva joner dras till det och negativa joner avvisas. Hydrofobicitet säkerställer att vätskan avgår från ytan utan att lämna en film bakom. "
"Denna upptäckt föddes ur en djup förståelse för de vetenskapliga begreppen i kombination med enkel vetenskaplig elegans, "säger Santamarina. Mishra instämmer med att dra slutsatsen att" styrkan i vårt bidrag ligger i dess enkelhet. "
