Bioinspiroitu hydrogeelikuviointi tarjoaa tehokkaampia tapoja kerätä vettä

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

bioinspiroitu-hydrogeeli — Lasille painetut hydrogeelikuidut on peitetty osittain silloitetuilla roikkuvilla ketjuilla, jotka osoittavat suurta affiniteettia vesimolekyylejä kohtaan. Ne toimivat kuin liskojen ihon uria pisaroiden keräämiseksi, ja niiden pinta voi muodostaa kosteutuskerroksen, joka jäljittelee monni ihon limaa tehden pisaroiden liikkeestä sujuvampaa ja nopeampaa (kuvan luotto: ©Science China Press).

Uusi tutkimus ehdottaa tapoja parantaa vedenkeruun tehokkuutta, erityisesti mitä tulee kerättyjen pisaroiden kondensoitumiseen.

Työ keskittyy vesipulaan selvittämällä ilmakehän veden talteenottoa. Ilmassa oleva vesi on peräisin sekä luonnollisesta että pakotetusta haihdutuksesta. Kondensoituminen on viimeinen ja ratkaiseva vaihe veden talteenotossa. Kondensoitumiseen liittyy ydintymistä, kasvua ja vesipisaroiden irtoamista, jotka sitten kerätään. Pintatulviin johtava kondensoituneiden pisaroiden hallitsematon kasvu on kuitenkin kiireellinen haaste, joka uhkaa kestävää kondensaatiota.

Nopeuttaakseen tätä prosessia ja saavuttaakseen säännöllisen ja nopean pisaroiden irtoamisen tiivistyvältä pinnalta, tiimi – Tsinghuan yliopisto – otti inspiraatiota luonnosta. He havaitsivat, että australialainen piikkipaholainen – liskolaji – levitti tehokkaasti pisaroita, kuten sateita, kastetta ja lampivettä, suomuistaan suomujen välisiin kapillaarikanaviin ja lopulta liittyi sen suuhun. Tämä luonnollinen mekanismi teki veden varastoinnin ja kulutuksen helpommaksi. Lisäksi tiimi sai inspiraationsa kaloista, erityisesti monnista, jolla on orvaskeden limakerros, joka vähentää uimavastusta ja parantaa sopeutumiskykyä vesipitoisiin ympäristöihin. Nämä luonnosta saadut oivallukset käsittelevät säännöllisen pisaranavigoinnin ja pienten pisaroiden leviämisen haasteita.

Tutkimusryhmä käytti hydrogeelikuituja luodakseen lasille suunnitellun kuvion, joka sisälsi sekä liskojen että monnien edulliset ominaisuudet. Hydrogeelikuitu on natriumalginaatin ja polyvinyylialkoholin verkosto, jossa on osittain polymeroitunut pinta ja kaarirakenne. Haaroittuneilla –OH- ja –COOH-ketjuilla koristellulla pinnalla on vahva affiniteetti vesimolekyyleihin. Tämä affiniteetti yhdistettynä kaarirakenteeseen tarjoaa riittävän käyttövoiman pisaroiden liikkumiselle kondensoivasta substraatista hydrogeelikuituun. Samanaikaisesti haarautuneet –OH- ja –COOH-ketjut voivat pidättää vesimolekyylejä jopa pisaroiden poistuttua pinnalta, mikä auttaa muodostamaan esiastevesikalvon, joka voitelee pisaroiden liukumista.

Pisaroiden liikkeen tarkkailemiseksi fluoresoivia molekyylejä käytettiin koettimina. Siepatut liikeradat paljastivat vaikuttavan migraationopeuden, jossa lasille muodostuneet pisarat pumpattiin nopeasti hydrogeelikuitulle, mikä regeneroi kondensaatiokohdat. Menestys piilee kemiallisten kostutusgradienttien ja Laplacen paine-eron samanaikaisessa soveltamisessa hydrogeelikuidun ja lasin välillä. Pumppausvaikutus johti yli 40 %:n alenemiseen pisaratiivistyvän pintajärjestelmän energiassa, joka toimii käyttövoiman lähteenä. "Tämä on samanlainen kuin suunnattu veden leviäminen liskojen iholle", professori Qu huomauttaa.

Tutkijat havaitsivat myös eroja veden liikkeessä hydrogeelikuitupinnalla verrattuna lasiin. Lasilla pisarat etenivät yhtenäiseksi yksiköksi, jolloin muodostui peräkkäin uusia etenemiskulmia, mikä johti fluoresoivien koettimien täydelliseen sekoittumiseen pisaran sisällä etenemisen aikana. Sitä vastoin hydrogeelikuidun pinnalla liukuvilla pisaroilla oli kerroksellinen käyttäytyminen. Sisäinen vesikerros sitoutui hydrogeelin pintaan, kun taas ulompi kerros liukuu ilman suoraa kosketusta hydrogeelin pintaan. "Hydrogeelipinnan päällä roikkuvat ketjut toimivat kuin monni limakerros ja voitelevat pisaroiden ja tiivistyvän pinnan välistä kitkaa", selittää tohtori Ji.

Tämä suunniteltu hydrogeelikuitukuvio lisäsi kondensaationopeutta 85.9 % ilman ulkoista energiansyöttöä. Lisäksi sitä sovellettiin menestyksekkäästi parantamaan auringon haihtuvan veden puhdistuksen vedenkeräysnopeutta 109%. Tämä tutkimus ei ainoastaan tarjonnut näkemyksiä luonnonilmiöistä, vaan myös merkitsi uutta yritystä manipuloida pisaroiden liikettä kondensaatiota varten. Löydökset luovat pohjan tuleville ponnisteluille ilmiöiden löytämiseksi ja teorioiden muuntamiseksi käytännön sovelluksiksi.