Bioinspired Hydrogel Patterning Offers More Effective Ways To Harvest Water

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बायोइंस्पायर्ड-हाइड्रोजेल — कांच पर मुद्रित हाइड्रोजेल फाइबर आंशिक रूप से क्रॉसलिंक्ड लटकती श्रृंखलाओं से ढके होते हैं, जो पानी के अणुओं के प्रति महान आकर्षण प्रदर्शित करते हैं। वे बूंदों को इकट्ठा करने के लिए छिपकलियों के पूर्णांक पर खांचे की तरह काम करते हैं और उनकी सतह कैटफ़िश की त्वचा पर बलगम की नकल करने के लिए एक जलयोजन परत बना सकती है ताकि बूंदों की गति को अधिक सुचारू और त्वरित बनाया जा सके (छवि क्रेडिट: © साइंस चाइना प्रेस)।

एक नया अध्ययन जल संचयन की प्रभावशीलता में सुधार के तरीके सुझाता है, विशेष रूप से एकत्रित बूंदों से पानी के संघनन के संबंध में।

यह कार्य वायुमंडलीय जल संचयन की खोज करके पानी की कमी को दूर करने पर केंद्रित है। हवा में पानी प्राकृतिक और मजबूर वाष्पीकरण दोनों से उत्पन्न होता है, जल संचयन में संघनन अंतिम और महत्वपूर्ण चरण है। संघनन में पानी की बूंदों का न्यूक्लियेशन, विकास और बहाव शामिल होता है, जिन्हें बाद में एकत्र किया जाता है। हालाँकि, सतही बाढ़ की ओर ले जाने वाली संघनित बूंदों की अनियंत्रित वृद्धि एक गंभीर चुनौती है, जो स्थायी संघनन के लिए खतरा पैदा करती है।

इस प्रक्रिया को तेज करने और संघनक सतह से व्यवस्थित और तेजी से बूंदों को गिराने के लिए, टीम - सिंघुआ विश्वविद्यालय - ने प्रकृति से प्रेरणा ली। उन्होंने देखा कि ऑस्ट्रेलियाई कांटेदार शैतान - छिपकली की एक प्रजाति - कुशलता से बारिश, ओस और तालाब के पानी जैसी बूंदों को अपने तराजू से तराजू के बीच केशिका चैनलों तक फैलाती है, जो अंततः उसके मुंह से जुड़ जाती है। इस प्राकृतिक तंत्र ने पानी को संग्रहित करना और उपभोग करना आसान बना दिया। इसके अतिरिक्त, टीम ने मछली, विशेष रूप से कैटफ़िश से प्रेरणा ली, जिसमें एक एपिडर्मल म्यूकस परत होती है जो तैराकी के खिंचाव को कम करती है और जलीय वातावरण में अनुकूलन क्षमता को बढ़ाती है। प्रकृति की ये अंतर्दृष्टि क्रमशः व्यवस्थित छोटी बूंदों के नेविगेशन और कम-खींचने वाली बूंदों के बहाव की चुनौतियों का समाधान करती हैं।

अनुसंधान टीम ने कांच पर एक इंजीनियर्ड पैटर्न बनाने के लिए हाइड्रोजेल फाइबर का उपयोग किया, जिसमें छिपकलियों और कैटफ़िश दोनों की लाभप्रद विशेषताओं को शामिल किया गया। हाइड्रोजेल फाइबर आंशिक रूप से पॉलिमराइज्ड सतह और आर्क संरचना के साथ सोडियम एल्गिनेट और पॉलीविनाइल अल्कोहल का एक इंटरपेनिट्रेटेड नेटवर्क है। शाखित -OH और -COOH श्रृंखलाओं से सजी सतह, पानी के अणुओं के लिए एक मजबूत आकर्षण प्रदर्शित करती है। यह आत्मीयता, आर्च संरचना के साथ मिलकर, बूंदों को संघनक सब्सट्रेट से हाइड्रोजेल फाइबर तक जाने के लिए पर्याप्त प्रेरक शक्ति प्रदान करती है। इसके साथ ही, शाखित -OH और -COOH श्रृंखलाएं बूंदों के सतह छोड़ने के बाद भी पानी के अणुओं को बनाए रख सकती हैं, एक अग्रदूत जल फिल्म के निर्माण में सहायता करती हैं जो बूंदों के फिसलने को चिकना करती है।

बूंदों की गति का निरीक्षण करने के लिए, फ्लोरोसेंट अणुओं का उपयोग जांच के रूप में किया गया। कैप्चर किए गए प्रक्षेप पथों ने एक प्रभावशाली प्रवासन दर का खुलासा किया, जिसमें ग्लास पर बनी बूंदें तेजी से हाइड्रोजेल फाइबर में पंप हो गईं, जिससे संघनक स्थल पुनर्जीवित हो गए। सफलता हाइड्रोजेल फाइबर और ग्लास में रासायनिक गीलापन ग्रेडियेंट और लाप्लास दबाव अंतर के समवर्ती अनुप्रयोग में निहित है। पंपिंग प्रभाव के परिणामस्वरूप ड्राइविंग बल स्रोत के रूप में कार्य करने वाली बूंद-संघनक सतह प्रणाली की ऊर्जा में 40% से अधिक की कमी आई। प्रोफेसर क्यू कहते हैं, "यह छिपकलियों के त्वचा पर दिशात्मक जल फैलाव के समान है।"

शोधकर्ताओं ने कांच की तुलना में हाइड्रोजेल फाइबर सतह पर पानी की गति में अंतर भी देखा। कांच पर, बूंदें नए अग्रिम कोणों के क्रमिक गठन के साथ एक सामंजस्यपूर्ण इकाई के रूप में आगे बढ़ीं, जिसके परिणामस्वरूप प्रगति के दौरान बूंद के भीतर फ्लोरोसेंट जांच का पूरा मिश्रण हुआ। इसके विपरीत, हाइड्रोजेल फाइबर सतह पर फिसलने वाली बूंदों ने एक स्तरित व्यवहार प्रदर्शित किया। पानी की आंतरिक परत हाइड्रोजेल सतह से बंधी होती है, जबकि बाहरी परत हाइड्रोजेल सतह के सीधे संपर्क के बिना फिसल जाती है। डॉ. जी बताते हैं, "हाइड्रोजेल सतह पर लटकती जंजीरें कैटफ़िश की बलगम परत की तरह काम करती हैं, जो बूंदों और संघनक सतह के बीच घर्षण को चिकना करती हैं।"

इस इंजीनियर्ड हाइड्रोजेल फाइबर पैटर्न ने बाहरी ऊर्जा इनपुट की आवश्यकता के बिना संघनन दर को 85.9% तक बढ़ा दिया। इसके अलावा, सौर वाष्पीकरणीय जल शोधन की जल संग्रहण दर को 109% तक बढ़ाने के लिए इसे सफलतापूर्वक लागू किया गया था। इस अध्ययन ने न केवल प्राकृतिक घटनाओं में अंतर्दृष्टि प्रदान की, बल्कि संक्षेपण के लिए बूंदों की गति में हेरफेर करने के एक उपन्यास प्रयास को भी चिह्नित किया। ये निष्कर्ष घटनाओं की खोज और सिद्धांतों को व्यावहारिक अनुप्रयोगों में अनुवाद करने के भविष्य के प्रयासों की नींव रखते हैं।