דפוסי הידרוג'ל בהשראה ביולוגית מציעה דרכים יעילות יותר לקצור מים

הועלה מחדש על ידי אפלטון

עוקב: 0

ביולוגי-הידרוג'ל — סיבי ההידרוג'ל המודפסים על הזכוכית מכוסים על ידי שרשראות משתלשלות מוצלבות חלקית, המפגינות זיקה רבה למולקולות מים. הם פועלים כמו החריצים על גבם של לטאות כדי לאסוף טיפות והשטח שלהם יכול ליצור שכבת הידרציה כדי לחקות את הריר על עור השפמנון כדי להפוך את תנועת הטיפות לחלקה ומהירה יותר (קרדיט תמונה: ©Science China Press).

מחקר חדש מציע דרכים לשפר את היעילות של קצירת מים, במיוחד ביחס לעיבוי מים מטיפות שנאספו.

העבודה מתמקדת בטיפול במחסור במים על ידי חקירת קצירת מים באטמוספירה. המים באוויר מקורם באידוי טבעי ומאולץ כאחד, כאשר עיבוי הוא השלב האחרון והמכריע בקצירת המים. עיבוי כרוך בגרעין, צמיחה והשלכת טיפות מים, שנאספות לאחר מכן. עם זאת, צמיחה בלתי נשלטת של טיפות מעובה המובילות להצפות פני השטח היא אתגר דחוף, המהווה איום לעיבוי בר קיימא.

כדי לזרז תהליך זה ולהשיג השלכת טיפות מסודרת ומהירה מהמשטח המתעבה, הצוות - אוניברסיטת טסינגואה - קיבל השראה מהטבע. הם הבחינו שהשטן הקוצני האוסטרלי - זן של לטאה - מפיץ ביעילות טיפות, כמו גשמים, טללים ומי בריכות, מקשקשיו לתעלות נימיות בין הקשקשים, ולבסוף מתחברים לפיו. מנגנון טבעי זה הפך מים לקלים יותר לאגירה ולצריכה. בנוסף, הצוות שאב השראה מדגים, במיוחד שפמנונים, בעלי שכבת ריר אפידרמיס המפחיתה את גרירת השחייה ומשפרת את ההסתגלות לסביבות מימיות. תובנות אלו מהטבע עונות על האתגרים של ניווט מסודר של טיפות ושל שפיכת טיפות בגרור נמוך, בהתאמה.

צוות המחקר השתמש בסיבי הידרוג'ל כדי ליצור תבנית מהונדסת על זכוכית, תוך שילוב התכונות המועילות של לטאות ושל שפמנון כאחד. סיב ההידרוג'ל הוא רשת חודרת הדדית של נתרן אלגינט ואלכוהול פוליוויניל עם משטח ומבנה קשת מפולימר חלקית. פני השטח, המעוטרים בשרשראות מסועפות -OH ו-COOH, מפגינים זיקה חזקה למולקולות מים. זיקה זו, יחד עם מבנה הקשת, מספקת כוח מניע מספיק לטיפות לעבור מהמצע המתעבה לסיב ההידרוג'ל. במקביל, השרשראות המסועפות -OH ו-COOH יכולות לשמור על מולקולות מים גם לאחר שטיפות עוזבות את פני השטח, מה שמסייע ביצירת סרט מים מבשר המשמן את החלקת טיפות.

כדי לצפות בתנועת טיפות, מולקולות ניאון שימשו כבדיקות. המסלולים שנלכדו חשפו קצב נדידה מרשים, כאשר טיפות שנוצרו על הזכוכית נשאבו במהירות אל סיב ההידרוג'ל, ובכך יצרו מחדש את אתרי העיבוי. ההצלחה טמונה ביישום בו-זמנית של שיפוע הרטבה כימי ובהפרש הלחץ של Laplace על פני סיבי ההידרוג'ל והזכוכית. אפקט השאיבה הביא להפחתה של למעלה מ-40% באנרגיה של מערכת משטח עיבוי טיפות, הפועלת כמקור הכוח המניע. "זה דומה לפיזור המים הכיווני על גבם של לטאות", מציין פרופסור קו.

החוקרים גם צפו הבדלים בתנועת המים על פני סיבי ההידרוג'ל בהשוואה לזה על זכוכית. על הזכוכית, טיפות התקדמו כיחידה מלוכדת עם היווצרות רצופה של זוויות מתקדמות חדשות, וכתוצאה מכך ערבוב מלא של בדיקות פלורסנט בתוך הטיפה במהלך ההתקדמות. לעומת זאת, החלקה של טיפות על משטח סיבי ההידרוג'ל הפגינה התנהגות שכבתית. שכבת המים הפנימית נקשרה למשטח ההידרוג'ל, בעוד השכבה החיצונית החליקה ללא מגע ישיר עם משטח ההידרוג'ל. "השרשרות המשתלשלות מעל פני ההידרוג'ל פועלות כמו שכבת הריר של השפמנון, ומשמנים את החיכוך בין הטיפות למשטח המתעבה", מסביר ד"ר ג'י.

דפוס סיבי הידרוג'ל מהונדס זה הגדיל את קצב העיבוי ב-85.9% ללא צורך בהזנת אנרגיה חיצונית. יתר על כן, הוא יושם בהצלחה כדי לשפר את קצב איסוף המים של טיהור מים באידוי סולארי ב-109%. מחקר זה לא רק סיפק תובנות לגבי תופעות טבע אלא גם סימן ניסיון חדש לתמרן תנועת טיפות להתעבות. הממצאים מניחים את הבסיס למאמצים עתידיים בגילוי תופעות ותרגום תיאוריות ליישומים מעשיים.