Ett effektivare sätt att fånga upp färskvatten från luften skulle kunna inspireras av ett rörelsefenomen som först skymtas i skålar med frukostflingor.
KAUST-forskare har observerat att när vattendroppar kondenserar från luften till en kall yta belagd med olja, börjar dropparna en komplex dans. Denna rörelse – som liknar en process som kallas Cheerios-effekten där det flytande spannmålen tenderar att hopa sig på grund av ytspänning – skulle kunna bidra till att påskynda skörden av vatten från atmosfären i torra områden som Saudiarabien.
"Vi är intresserade av att designa ytor som kan främja kondensering av vatten, som har viktiga värmeöverförings- och vattenupptagningsapplikationer", säger Marcus Lin, en forskare vid Dan Daniels labb, som ledde forskningen. På en typisk fast yta fastnar kondenserade droppar på ytan med minimal rörelse. "Tänk på att vatten kondenserar på en kall läskburk", säger Lin. "Dropparna rör sig bara när de växer tillräckligt stora för att gravitationen ska kunna dra ner dem."
Daniel, Lin och deras medarbetare hade idén att lägga till en tunn film av olja skulle smörja ytan, vilket resulterade i mycket rörliga droppar som skulle frigöra utrymme för ytterligare droppkondensering, vilket ökade kondensationshastigheten. Idén fungerade – men de komplexa sätten som dropparna rörde sig på var en fullständig överraskning, säger Daniel.
När dropparna växte till en kritisk storlek började de röra sig över oljan i ett distinkt mönster som liknar en utstuderad dans. "De rörde sig först på ett serpentinmässigt sätt innan de övergick till cirkulära rörelser och sedan tillbaka igen", säger Lin. "Dessa rörelser inträffade över skalor från mikrometer till flera centimeter, och de varade i timmar."
Drivkraften för processen är att – som Cheerios i mjölk – dras vattendroppar som flyter på oljan mot sina grannar. De större dropparnas rörelse drivs av energi som frigörs när de sväljer mindre droppar i sin väg.
De rörliga dropparna omfördelar oljefilmen och växlar från en serpentin till en cirkulär rörelse när filmen blir lokalt utarmad. När den lokala oljan återuppbyggts återupptas den ormliknande dansen.
Sådana enheter som effektivt kan fånga upp vatten från luften genom enkel kondensering, utan energitillförsel, är allmänt eftertraktade när trycket ökar på sötvattenkällor, säger Daniel. "Genom att optimera den samlade rörelsen hos kondensdroppar kan vi öka kondensationshastigheterna avsevärt och därmed designa mer effektiva vattenupptagningssystem", säger han.
Teamet planerar att ytterligare utforska mekanismerna som driver dropprörelser, särskilt att undersöka övergången från serpentin till cirkulär rörelse. "En annan viktig aspekt är att utforska potentiella tillämpningar, särskilt inom värmeöverföringsförbättring och vattenskörd," tillägger Lin.
Studien är publicerad i tidskriften Physical Review Letters .
Mer information: Marcus Lin et al, Emergent Collective Motion of Self-Propelled Condensate Droplets, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.058203
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av King Abdullah University of Science and Technology
