University of Texas i Dallas forskare har upptäckt att en ny yta de utvecklat för att skörda vatten från luften uppmuntrar små vattendroppar att röra sig spontant till större droppar.

När forskare placerade mikrodroppar av vatten på deras flytande smörjmedel, mikrodropparna drev sig att klättra, utan yttre kraft, i större droppar längs en oljig, rampformad menisk som bildas av smörjmedlet runt de större dropparna. Fenomenet "grova droppar" bildade små droppar som var tillräckligt stora för skörd.

"Denna meniskmedierade klättringseffekt möjliggjorde snabb koalescens på hydrofila ytor och har inte rapporterats tidigare. Vi har upptäckt ett nytt fysiskt fenomen som gör det möjligt att skörda vatten snabbare från luft utan yttre kraft, "sade doktor Xianming Dai, biträdande professor i maskinteknik vid Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science, som ledde arbetet. "Om vi ​​inte har detta nya fenomen, dropparna skulle vara för små, och vi kunde knappt samla dem. "

Mikrodroppar av vatten på en hydrofil SLIPS -yta (vänster) driver sig att klättra, utan yttre kraft, i större droppar längs en oljig, rampformad menisk som bildas av smörjmedlet runt de större dropparna. Till höger, videoklippet visar hur mikrodroppar beter sig på en fast halt yta.

Resultaten, publicerad 25 mars i Cellrapporter Fysikalisk vetenskap , kan lösa viktiga problem vid skörd av vatten från luften. Många droppar som kondenserar från vattenånga i luften är för små för att samlas upp, och de kan täcka en yta på ett sätt som hindrar ytterligare kondens.

Att utveckla ny teknik som skördar vatten från atmosfären är ett växande forskningsfält eftersom fler och fler människor bor i områden där sötvatten är bristfälligt. Forskare uppskattar att 4 miljarder människor bor i regioner med allvarlig sötvattenbrist i minst en månad varje år. Detta antal väntas stiga till mellan 4,8 miljarder och 5,7 miljarder år 2050. Orsakerna är bland annat klimatförändringar, förorenat vatten och ökad efterfrågan på grund av både befolkningstillväxt och förändrade användningsbeteenden.

Nyckeln till mikrodroppens självklättrande handling är en yta som Dai och hans kollegor tidigare utvecklat. Deras flytande smörjmedel, en hydrofil halt vätskeinfunderad porös yta (SLIPS), har en unik hydrofil karaktär för skörd av vatten och leder snabbt vattendroppar till reservoarer.

Forskare upptäckte det självgående droppfenomenet på deras yta av misstag. De testade olika smörjmedel för att avgöra vilket som bäst skulle underlätta skörd av vatten när de såg de mindre vattendropparna driva sig till större droppar. Det fick dem att samarbeta med Dr. Howard A. Stone, ordförande i mekanisk och rymdteknik vid Princeton University och expert på vätskedynamik, att undersöka fenomenets underliggande fysik.

"Dr Dai och hans team ledde detta arbete. Idéerna är kreativa, och de gjorde en serie observationer i laboratoriet som gjorde det möjligt för dem att förstå den bakomliggande fysiken och dess potentiella tillämpningar, "Sa Stone." De nådde ut till mig för att diskutera mekanismen, och vi hade flera Skype- eller Zoom -möten och e -postutbyten. Det var mycket intressant och stimulerande. Jag tyckte mycket om att se idéerna utvecklas till det publicerade papperet. "

När vattenånga kondenseras på vätske-smörjmedelsytan, olja från smörjmedlet bildar en menisk, eller krökning, runt dropparna. Menisken ser ut som en uppåtriktad ramp, som fungerar som en bro längs vilken mikrodroppar spontant klättrar mot och förenar sig med större vattendroppar, en process som forskarna kallar den grovande effekten. Egenskaperna hos den smorda ytan förhindrar att vattendropparna är helt nedsänkta i oljan, så att de kan flyta på oljan, så att de kan klättra.

"Oljemenisken fungerar som en bro, så att droppen kan klättra på den, "Sa Dai." Den lilla droppen letar aktivt efter en större. När de är anslutna med bron, de blir ett. "

När små vattendroppar kondenseras från luften på en sval yta, de blir termiska barriärer som förhindrar ytterligare kondens. Genom att möjliggöra snabb uppsamling av vattendroppar, de grova dropparna hjälper till att rensa ytor för nya droppar att bildas, vilket underlättar snabbare, effektivare skörd av vatten.

Den självgående, grovdroppande droppen på hydrofila SLIPS visar snabbt avlägsnande av kondenserade droppar i submikrometer oavsett hur ytan är orienterad, vilket ger en lovande metod jämfört med andra ytor som används för vattenavverkning.

"Vi kan inte skörda en stor mängd vatten om vi inte har en snabb skördprocess. Problemet med andra ytor är att de små vattendropparna kan förångas innan de kan skördas, "Sa Dai.

"Baserat på våra experimentella data, den grovare ytan förbättrade vattenskörningshastigheten 200% högre än motsvarigheterna, "sa Zongqi Guo, en maskinteknisk doktorand och medförfattare.Dai och hans kollegor fortsätter att arbeta med sätt att använda sitt smörjmedel för att göra hållbara vattenavverkningssystem som är mobila, mindre i storlek, lägre i vikt och billigare.

"Om vi ​​kan göra det, vi kan skörda vatten var som helst som har luft, vilket är särskilt viktigt i regioner där vatten är knappt, "Sa Dai.