Vattnet i luften härrör från både naturlig och påtvingad avdunstning, där kondensering är det sista och avgörande steget i vattenupptagningen. Kondensering innebär kärnbildning, tillväxt och utgjutning av vattendroppar, som sedan samlas upp.
Men okontrollerbar tillväxt av kondenserade droppar som leder till översvämningar på ytan är en brådskande utmaning på grund av otillräckliga drivkrafter, vilket utgör ett hot mot hållbar kondens.
En studie, ledd av Prof. Jiuhui Qu, Dr. Qinghua Ji och Dr. Wei Zhang från Tsinghua University, fokuserar på att ta itu med vattenbrist genom att utforska atmosfärisk vattenskörd. Arbetet publiceras i tidskriften National Science Review .
För att påskynda denna process och uppnå ordnad och snabb droppavgivning från kondensytan tog teamet inspiration från naturen. De observerade att den australiensiska taggiga djävulen effektivt sprider droppar, såsom regn, daggar och dammvatten, från sina fjäll till kapillärkanaler mellan fjällen, och så småningom ansluter de till munnen.
Denna naturliga mekanism gjorde vatten lättare att lagra och konsumera. Dessutom hämtade teamet inspiration från fiskar, särskilt havskatt, som har ett epidermalt slemlager som minskar simmotståndet och förbättrar anpassningsförmågan till vattenhaltiga miljöer. Dessa insikter från naturen tar itu med utmaningarna med ordnad droppnavigering respektive droppavkastning med lågt drag.
Forskargruppen använde hydrogelfibrer för att skapa ett konstruerat mönster på glas, med de fördelaktiga egenskaperna hos både ödlor och havskatt.
Hydrogelfibern är ett interpenetrerat nätverk av natriumalginat och polyvinylalkohol med en delvis polymeriserad yta och bågstruktur. Ytan, prydd med grenade –OH- och –COOH-kedjor, uppvisar en stark affinitet för vattenmolekyler.
Denna affinitet, i kombination med bågstrukturen, ger tillräcklig drivkraft för droppar att flytta från det kondenserande substratet till hydrogelfibern. Samtidigt kan de grenade –OH- och –COOH-kedjorna behålla vattenmolekyler även efter att droppar lämnar ytan, vilket hjälper till att bilda en prekursorvattenfilm som smörjer droppglidning.
För att observera dropprörelser användes fluorescerande molekyler som sonder. De fångade banorna avslöjade en imponerande migrationshastighet, med droppar som bildades på glaset som snabbt pumpades till hydrogelfibern och därigenom regenererade kondenseringsställena.
Framgången ligger i den samtidiga tillämpningen av kemiska vätningsgradienter och Laplace-tryckskillnaden över hydrogelfibern och glaset. Pumpeffekten resulterade i en minskning med över 40 % av energin i det droppkondenserande ytsystemet, som fungerade som drivkraftskälla. "Detta liknar den riktade vattenspridningen över ödlornas integument", konstaterar professor Qu.
Forskarna observerade också skillnader i vattenrörelser på hydrogelfiberytan jämfört med glas. På glaset avancerade droppar som en sammanhängande enhet med successiv bildning av nya framskjutande vinklar, vilket resulterade i fullständig blandning av fluorescerande sönder i droppen under avancemang.
Däremot uppvisade droppglidning på hydrogelfiberytan ett skiktbeteende. Det inre lagret av vatten binds till hydrogelytan, medan det yttre lagret gled utan direkt kontakt med hydrogelytan.
"De hängande kedjorna över hydrogelytan fungerar som slemskiktet på havskatten och smörjer friktionen mellan dropparna och den kondenserande ytan", förklarar Dr Ji.
Detta konstruerade hydrogelfibermönster ökade kondensationshastigheten med 85,9 % utan att kräva extern energiinsats. Dessutom användes den framgångsrikt för att öka vattenuppsamlingshastigheten för solavdunstningsvattenrening med 109 %.
Denna studie ger inte bara insikter i naturfenomen utan markerar också ett nytt försök att manipulera dropprörelser för kondens. Resultaten lägger grunden för framtida strävanden att upptäcka fenomen och omsätta teorier till praktiska tillämpningar.
Mer information: Wei Zhang et al., Pumpning och glidning av droppar styrda av ett hydrogelmönster för skörd av atmosfäriskt vatten, National Science Review (2023). DOI:10.1093/nsr/nwad334
Tillhandahålls av Science China Press
