Flödesseparation på hydrofila reentrant SLIPS. (A) Schematisk flödesseparation. De små dropparna rör sig in i de återkommande kanalerna på grund av förgrovningseffekten. Under tiden glider vätskekolonnerna inuti varje återkommande kanal på grund av gravitationen. Pilarna visar rörelseriktningen för mindre droppar. (B) Mikroskopbilder av flödesseparationen. De vita pilarna visar att mindre droppar rör sig mot de återkommande kanalerna. Droppar tas bort från ytan. (C) Schematisk över droppvis kondensation med förgrovande droppe på en hal plan yta. Den lilla droppen klättrar på oljemenisken och smälter samman med en större. (D) Mikroskopbilder av de förgrovande dropparna. Pilarna visar rörelseriktningen för mindre droppar. (E) Täckningsförhållandena för ytor med flödesseparation och droppvis kondensation i stationärt tillstånd. (F) Vattnets skördande vikter från ytor med flödesseparering och droppvis kondensation. Kredit:Zongqi Guo et al, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI:10.1073/pnas.2209662119
Sommarens megatorka i västra USA och misslyckandet av ett vattenreningsverk i Mississippi har visat behovet av alternativa sätt att komma åt vatten vid brist.
En lösning på vattenbrist är att skörda vatten från luften. Dr. Xianming "Simon" Dai, biträdande professor i maskinteknik vid Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science vid University of Texas i Dallas, arbetar med teknik för att göra det möjligt för alla att ha en prisvärd, bärbar enhet som skulle kunna tillgång till vatten var som helst, när som helst, utan extern energi.
Dai och hans team av forskare avancerade nyligen den tekniken genom att utveckla en ny plattform för att påskynda skördeprocessen. Teamet demonstrerade plattformen i en studie publicerad online den 29 augusti i Proceedings of the National Academy of Sciences .
Plattformen löser ett nyckelproblem vid vattenskörd:Uppsamlade vattendroppar bildar en termisk barriär som förhindrar ytterligare kondens, så de måste avlägsnas från ytan så snabbt som möjligt för att göra plats för mer skörd.
UTD-teamet åtgärdade detta problem genom att utveckla en plattform med en unik form. De skär en serie svampliknande kanaler – mindre i diameter än ett människohår – in i uppsamlingsytan så att en del av ytmaterialet hänger över varje kanal. När droppar samlas på ytan absorberas de i kanalerna, men svampdesignen förhindrar att vattnet rinner tillbaka till den ursprungliga uppsamlingsytan. Skördat vatten samlas upp genom dessa kanaler.
Nyckeln till plattformens framgång är en ny flödesseparerande hal yta byggd på grunden av Dais tidigare arbete 2018 för att fånga upp vatten från dimma och luft. Inspirerad av risblad och kannaväxter som kan fånga och rikta vattendroppar, har den hydrofila hala vätskeinfunderade porösa ytan (SLIPS) en unik vattenabsorberande egenskap som hjälper till att rikta vattendroppar in i kanalerna. Kanalerna är också fodrade med SLIPS, vilket hjälper till att hålla vätskan från att skölja tillbaka till den ursprungliga uppsamlingsytan.
"Ytspänningskraften flyttar vätskan från uppsamlingsytan in i kanalen, vilket är bra för kontinuerlig vattenskörd," sa Dai. "De svampliknande kanalerna är unika eftersom de låser vätskan inuti."
Publikationen markerade en stor framgång för Zongqi Guo, Ph.D., första författare till studien, som tog sin examen i december.
"This work is a summary of my Ph.D. research. We combined microfluidics, microfabrication and surface chemistry to unveil the new fundamentals for water sustainability, which is flow separation," said Guo, now a postdoctoral fellow at the University of Minnesota.
The technology has a variety of applications, including military uses. "Soldiers need to be able to drink water wherever they are," Dai said. "This requires a decentralized water harvesting technology."
Because the technology removes moisture from air, it also could be useful in food processing and other environments that require humidity control, he said. Dai's team continues to improve the technology and work toward making broader impacts.
Dr. Joshua Summers, professor and department head of mechanical engineering, said Dai's research addresses the importance of improving the welfare of all people.
"Hopefully, this publication can help stimulate the scientific discovery and engineering of solutions that can be widely deployed where moisture should be harvested," Summers said. "As a huge 'Star Wars' fan, I am excited to see that we are moving closer to the 'moisture farms' of Luke's youth."
Co-authors of the study include Dylan Boylan, mechanical engineering graduate student, and Dr. Li Shan, mechanical engineering research associate. + Utforska vidare
