«Взбирающиеся капли» могут привести к более эффективному сбору воды.

Исследователи Техасского университета в Далласе обнаружили, что новая поверхность, которую они разработали для сбора воды из воздуха, побуждает крошечные капли воды спонтанно переходить в более крупные.

Когда исследователи помещали микрокапли воды на поверхность жидкой смазки, микрокапли взбирались, без внешней силы, в более крупные капли по маслянистому мениску в форме пандуса, который образуется из смазки вокруг более крупных капель. «Феномен крупнозернистых капель» приводит к образованию капель, достаточно больших для уборки урожая.

«Этот опосредованный мениском эффект лазания обеспечил быстрое слияние на гидрофильных поверхностях, и о нем ранее не сообщалось. Мы обнаружили новый физический феномен, который позволяет быстрее собирать воду из воздуха без внешней силы», – сказал д-р Сяньмин Дай, ассистент. профессор машиностроения в Школе инженерии и информатики Эрика Йонссона, который руководил работой. «Если бы у нас не было этого нового явления, капли были бы слишком маленькими, и мы вряд ли смогли бы их собрать».

Результаты, опубликованные 25 марта в  Cell Reports Physical Science , могут решить ключевые проблемы сбора воды из воздуха. Многие капли, которые конденсируются из водяного пара в воздухе, слишком малы, чтобы их можно было собрать, и они могут покрывать поверхность, препятствуя дальнейшей конденсации.

Разработка новых технологий сбора воды из атмосферы – это растущая область исследований, поскольку все больше и больше людей живут в районах, где не хватает пресной воды. По оценкам ученых, 4 миллиарда человек живут в регионах с острой нехваткой пресной воды не менее одного месяца в году. По прогнозам, к 2050 году это число вырастет до 4,8–5,7 млрд. Причины включают изменение климата, загрязненное водоснабжение и повышенный спрос, связанный как с ростом населения, так и с изменениями в поведении пользователей.

Ключом к самолазанию микрокапли является поверхность, которую Дай и его коллеги разработали ранее. Их жидкая смазка, гидрофильная скользкая, пропитанная жидкостью пористая поверхность (SLIPS), обладает уникальной гидрофильной природой для сбора воды и быстро направляет капли воды в резервуары.

Исследователи случайно обнаружили на их поверхности явление самодвижущихся капель. Они тестировали разные смазочные материалы, чтобы определить, какие из них могут лучше всего облегчить сбор воды, когда они видели, как более мелкие капли воды превращаются в более крупные. Это побудило их сотрудничать с доктором Говардом А. Стоуном, заведующим кафедрой механической и аэрокосмической техники в Принстонском университете и экспертом в области гидродинамики, чтобы исследовать физику, лежащую в основе этого явления.

«Доктор Дай и его команда руководили этой работой. Идеи носят творческий характер, и они провели серию наблюдений в лаборатории, которые позволили им понять лежащую в основе физику и ее потенциальные приложения», – сказал Стоун. «Они связались со мной, чтобы обсудить механизм, и у нас было несколько встреч в Skype или Zoom и обмен электронной почтой. Все это было очень интересно и вдохновляюще. Мне очень понравилось, как идеи воплощаются в опубликованный документ».

Когда водяной пар конденсируется на поверхности жидкой смазки, масло из смазки образует мениск или искривление вокруг капель. Мениск выглядит как изгибающийся вверх пандус, который действует как мост, по которому микрокапли спонтанно поднимаются к более крупным каплям воды и сливаются с ними – процесс, который исследователи называют эффектом укрупнения. Свойства смазанной поверхности предотвращают полное погружение капель воды в масло, поэтому они могут плавать в масле, позволяя им подниматься.

«Масляный мениск действует как мост, поэтому капля может взобраться на него», – сказал Дай. «Маленькая капля активно ищет более крупную. После того, как они соединены мостом, они становятся одним целым».

Когда крошечные капли воды конденсируются из воздуха на охлаждаемой поверхности, они становятся тепловыми барьерами, предотвращающими дальнейшую конденсацию. Обеспечивая быстрый сбор капель воды, укрупняющиеся капли помогают очищать поверхности для образования новых капель, что способствует более быстрому и эффективному сбору воды.

Самоходная капля укрупнения на гидрофильных SLIPS показывает быстрое удаление конденсированных капель субмикронного размера независимо от того, как ориентирована поверхность, что представляет собой многообещающий подход по сравнению с другими поверхностями, используемыми для сбора воды.

«Мы не сможем собрать большое количество воды, если у нас нет быстрого процесса сбора урожая. Проблема с другими поверхностями заключается в том, что маленькие капли воды могут испариться до того, как их можно будет собрать», – сказал Дай.

«Основываясь на наших экспериментальных данных, загрубевшая поверхность увеличила скорость сбора воды на 200% выше, чем ее аналоги», – сказал Цзунци Го, докторант и соавтор исследования в области машиностроения. Дай и его коллеги продолжают работать над способами использования своих смазка для создания устойчивых систем сбора воды, которые будут мобильными, меньшими по размеру, более легкими и менее дорогими.

«Если мы сможем это сделать, мы сможем собирать воду везде, где есть воздух, что особенно важно в регионах, где воды не хватает», – сказал Дай.

ИСТОЧНИК: Техасский университет в Далласе.

READ:   EPA объявляет о ссуде WIFIA на $ 18 млн в Мичигане, первой в штате

Related Posts