La modélisation d'hydrogel bioinspirée offre des moyens plus efficaces de récolter l'eau

Republié par Platon

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hydrogel-bioinspiré — Les fibres d'hydrogel imprimées sur le verre sont recouvertes de chaînes pendantes partiellement réticulées, présentant une grande affinité pour les molécules d'eau. Ils agissent comme les rainures sur les téguments des lézards pour collecter les gouttelettes et leur surface pourrait former une couche d'hydratation pour imiter le mucus sur la peau du poisson-chat afin de rendre le mouvement des gouttelettes plus fluide et plus rapide (Crédit image : ©Science China Press).

Une nouvelle étude suggère des moyens d'améliorer l'efficacité de la collecte de l'eau, notamment en ce qui concerne la condensation de l'eau des gouttelettes collectées.

Le travail se concentre sur la lutte contre la pénurie d’eau en explorant la collecte de l’eau atmosphérique. L’eau présente dans l’air provient à la fois d’une évaporation naturelle et forcée, la condensation étant l’étape finale et cruciale de la récupération de l’eau. La condensation implique la nucléation, la croissance et l'excrétion de gouttelettes d'eau, qui sont ensuite collectées. Cependant, la croissance incontrôlable de gouttelettes condensées conduisant à des inondations de surface constitue un défi urgent, posant une menace à la condensation durable.

Pour accélérer ce processus et parvenir à une élimination ordonnée et rapide des gouttelettes de la surface en condensation, l’équipe – l’Université Tsinghua – s’est inspirée de la nature. Ils ont observé que le diable épineux australien – une espèce de lézard – répandait efficacement les gouttelettes, telles que la pluie, la rosée et l’eau des étangs, de ses écailles aux canaux capillaires entre les écailles, pour finalement se connecter à sa bouche. Ce mécanisme naturel rendait l’eau plus facile à stocker et à consommer. De plus, l’équipe s’est inspirée des poissons, en particulier du poisson-chat, qui possèdent une couche de mucus épidermique réduisant la traînée de nage et améliorant l’adaptabilité aux environnements aqueux. Ces connaissances issues de la nature répondent respectivement aux défis de la navigation ordonnée des gouttelettes et de l’élimination des gouttelettes à faible traînée.

L’équipe de recherche a utilisé des fibres d’hydrogel pour créer un motif technique sur le verre, intégrant les caractéristiques avantageuses des lézards et des poissons-chats. La fibre d'hydrogel est un réseau interpénétré d'alginate de sodium et d'alcool polyvinylique avec une surface et une structure d'arc partiellement polymérisées. La surface, ornée de chaînes ramifiées –OH et –COOH, présente une forte affinité pour les molécules d’eau. Cette affinité, associée à la structure en arc, fournit une force motrice suffisante pour que les gouttelettes se déplacent du substrat de condensation vers la fibre d'hydrogel. Simultanément, les chaînes ramifiées –OH et –COOH peuvent retenir les molécules d’eau même après que les gouttelettes ont quitté la surface, contribuant ainsi à la formation d’un film d’eau précurseur qui lubrifie le glissement des gouttelettes.

Pour observer le mouvement des gouttelettes, des molécules fluorescentes ont été utilisées comme sondes. Les trajectoires capturées ont révélé un taux de migration impressionnant, les gouttelettes formées sur le verre étant rapidement pompées vers la fibre d'hydrogel, régénérant ainsi les sites de condensation. Le succès réside dans l’application simultanée de gradients de mouillage chimique et de la différence de pression de Laplace à travers la fibre d’hydrogel et le verre. L’effet de pompage a entraîné une réduction de plus de 40 % de l’énergie du système de surface de condensation des gouttelettes, agissant comme source de force motrice. "Cela est similaire à la dispersion directionnelle de l'eau sur les téguments des lézards", note le professeur Qu.

Les chercheurs ont également observé des différences dans le mouvement de l’eau à la surface des fibres d’hydrogel par rapport à celui du verre. Sur le verre, les gouttelettes avançaient comme une unité cohésive avec la formation successive de nouveaux angles d’avancée, entraînant un mélange complet des sondes fluorescentes au sein de la gouttelette lors de l’avancement. En revanche, les gouttelettes glissant sur la surface des fibres d’hydrogel présentaient un comportement en couches. La couche interne d'eau s'est collée à la surface de l'hydrogel, tandis que la couche externe a glissé sans contact direct avec la surface de l'hydrogel. "Les chaînes qui pendent sur la surface de l'hydrogel agissent comme la couche de mucus du poisson-chat, lubrifiant la friction entre les gouttelettes et la surface de condensation", explique le Dr Ji.

Ce motif de fibres d'hydrogel technique a augmenté le taux de condensation de 85.9 % sans nécessiter d'apport d'énergie externe. De plus, il a été appliqué avec succès pour améliorer de 109 % le taux de collecte d’eau de purification de l’eau par évaporation solaire. Cette étude a non seulement fourni un aperçu des phénomènes naturels, mais a également marqué une nouvelle tentative de manipulation du mouvement des gouttelettes pour la condensation. Les résultats jettent les bases des efforts futurs visant à découvrir des phénomènes et à traduire les théories en applications pratiques.