الگوی هیدروژل با الهام از زیست روش های موثرتری برای برداشت آب ارائه می دهد

بازنشر افلاطون

دنبال: 0

هیدروژل با الهام از زیستی — الیاف هیدروژل چاپ شده بر روی شیشه توسط زنجیرهای آویزان تا حدی با پیوندهای عرضی پوشیده شده است که میل زیادی نسبت به مولکول های آب نشان می دهد. آنها مانند شیارهای روی پوشش مارمولک ها برای جمع آوری قطرات عمل می کنند و سطح آنها می تواند یک لایه هیدراتاسیون برای تقلید از مخاط روی پوست گربه ماهی تشکیل دهد تا حرکت قطرات را صاف و سریع تر کند (اعتبار تصویر: ©Science China Press).

یک مطالعه جدید راه‌هایی را برای بهبود اثربخشی برداشت آب، به‌ویژه در رابطه با تراکم آب از قطرات جمع‌آوری‌شده، پیشنهاد می‌کند.

این کار بر روی پرداختن به کمبود آب با کاوش در برداشت آب جوی تمرکز دارد. آب موجود در هوا هم از تبخیر طبیعی و هم از تبخیر اجباری سرچشمه می گیرد و تراکم مرحله نهایی و حیاتی در برداشت آب است. تراکم شامل هسته، رشد و ریختن قطرات آب است که سپس جمع آوری می شود. با این حال، رشد غیرقابل کنترل قطرات متراکم که منجر به سیلاب‌های سطحی می‌شود، یک چالش مبرم است که تهدیدی برای تراکم پایدار است.

برای تسریع این فرآیند و رسیدن به ریزش منظم و سریع قطرات از سطح متراکم، تیم - دانشگاه Tsinghua - از طبیعت الهام گرفتند. آنها مشاهده کردند که شیطان خاردار استرالیایی - گونه ای از مارمولک - به طور موثر قطرات مانند باران، شبنم و آب حوضچه را از فلس های خود به کانال های مویرگی بین فلس ها پخش می کند و در نهایت به دهانش متصل می شود. این مکانیسم طبیعی ذخیره و مصرف آب را آسان‌تر می‌کرد. علاوه بر این، این تیم از ماهی ها، به ویژه گربه ماهی، که دارای یک لایه مخاطی اپیدرمی است که کشش شنا را کاهش می دهد و سازگاری با محیط های آبی را افزایش می دهد، الهام گرفت. این بینش‌ها از طبیعت به ترتیب چالش‌های ناوبری منظم قطرات و ریختن قطرات با کشش کم را بررسی می‌کنند.

تیم تحقیقاتی از الیاف هیدروژل برای ایجاد یک الگوی مهندسی روی شیشه استفاده کرد که ویژگی‌های مفید مارمولک‌ها و گربه‌ماهی‌ها را در خود جای داده است. فیبر هیدروژل شبکه ای متقابل از آلژینات سدیم و پلی وینیل الکل با سطح و ساختار قوس نیمه پلیمریزه شده است. سطح، که با زنجیره های شاخه ای –OH و –COOH آراسته شده است، تمایل زیادی به مولکول های آب از خود نشان می دهد. این میل ترکیبی، همراه با ساختار قوس، نیروی محرکه کافی برای حرکت قطرات از بستر متراکم به فیبر هیدروژل فراهم می کند. به طور همزمان، زنجیره های شاخه ای –OH و –COOH می توانند مولکول های آب را حتی پس از خروج قطرات از سطح حفظ کنند و به تشکیل یک لایه آب پیش ساز کمک کنند که لغزش قطرات را روان می کند.

برای مشاهده حرکت قطرات، مولکول های فلورسنت به عنوان پروب مورد استفاده قرار گرفتند. مسیرهای ثبت شده نرخ مهاجرت قابل توجهی را نشان می دهد، با قطرات تشکیل شده روی شیشه که به سرعت به فیبر هیدروژل پمپ می شود و در نتیجه مکان های متراکم را بازسازی می کند. موفقیت در کاربرد همزمان گرادیان های مرطوب کننده شیمیایی و اختلاف فشار لاپلاس در فیبر هیدروژل و شیشه نهفته است. اثر پمپاژ منجر به کاهش بیش از 40٪ در انرژی سیستم سطح متراکم قطرات شد که به عنوان منبع نیروی محرک عمل می کند. پروفسور Qu خاطرنشان می کند: "این شبیه به پراکندگی جهت آب بر روی پوشش مارمولک ها است."

محققان همچنین تفاوت هایی را در حرکت آب روی سطح فیبر هیدروژل در مقایسه با حرکت روی شیشه مشاهده کردند. بر روی شیشه، قطرات به عنوان یک واحد منسجم با تشکیل متوالی زوایای پیشروی جدید، به اختلاط کامل کاوشگرهای فلورسنت در قطره در طول پیشروی منجر شدند. در مقابل، لغزش قطرات روی سطح فیبر هیدروژل یک رفتار لایه‌ای از خود نشان داد. لایه داخلی آب به سطح هیدروژل متصل می شود، در حالی که لایه بیرونی بدون تماس مستقیم با سطح هیدروژل می لغزد. دکتر جی توضیح می دهد: «زنجیره های آویزان روی سطح هیدروژل مانند لایه مخاطی گربه ماهی عمل می کنند و اصطکاک بین قطرات و سطح متراکم را روان می کنند.

این الگوی فیبر هیدروژل مهندسی شده، نرخ تراکم را تا 85.9٪ بدون نیاز به ورودی انرژی خارجی افزایش داد. علاوه بر این، با موفقیت برای افزایش نرخ جمع آوری آب تصفیه آب تبخیری خورشیدی تا 109٪ استفاده شد. این مطالعه نه تنها بینش هایی را در مورد پدیده های طبیعی ارائه کرد، بلکه تلاش جدیدی را برای دستکاری حرکت قطرات برای تراکم نشان داد. این یافته‌ها پایه‌ای برای تلاش‌های آینده در کشف پدیده‌ها و تبدیل نظریه‌ها به کاربردهای عملی است.