生物からインスピレーションを得たヒドロゲルのパターニングは、水を収穫するためのより効果的な方法を提供します

プラトン再発行

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バイオインスパイアされたヒドロゲル — ガラス上に印刷されたヒドロゲル繊維は部分的に架橋されたダングリングチェーンで覆われており、水分子に対して高い親和性を示します。それらは液滴を集めるトカゲの外皮の溝のように機能し、その表面はナマズの皮膚の粘液を模倣して水滴の動きをよりスムーズかつ迅速にする水和層を形成する可能性があります（画像クレジット：©Science China Press）。

新しい研究では、特に収集された液滴からの水の凝縮に関連して、水の収集の有効性を向上させる方法が提案されています。

この研究は、大気中の水の採取を調査することによって水不足に対処することに焦点を当てています。空気中の水は自然蒸発と強制蒸発の両方によって発生し、凝縮は水収集の最終かつ重要なステップです。凝縮には、水滴の核生成、成長、および脱落が含まれ、その後収集されます。しかし、表面浸水につながる凝縮液滴の制御不能な成長は差し迫った課題であり、持続可能な凝縮への脅威となっています。

このプロセスを促進し、凝縮表面からの秩序ある迅速な液滴の放出を達成するために、チーム (清華大学) は自然からインスピレーションを得ました。研究者らは、トカゲの一種であるオーストラリアのトゲトゲデビルが、雨、露、池の水などの飛沫を鱗から鱗の間の毛細管に効率的に広げ、最終的に口につながることを観察した。この自然なメカニズムにより、水は保存しやすくなり、消費も容易になりました。さらに、研究チームは、遊泳抵抗を軽減し、水環境への適応力を高める表皮粘液層を持つ魚、特にナマズからインスピレーションを得ました。自然から得たこれらの洞察は、それぞれ、秩序ある液滴のナビゲーションと低抗力の液滴の放出という課題に対処します。

研究チームはヒドロゲル繊維を使用して、トカゲとナマズの両方の有利な特徴を組み込んだ、ガラス上に人工的なパターンを作成しました。ヒドロゲル繊維は、アルギン酸ナトリウムとポリビニルアルコールの相互浸透ネットワークであり、部分的に重合した表面とアーチ構造を備えています。分岐した –OH 鎖と –COOH 鎖で装飾された表面は、水分子に対して強い親和性を示します。この親和性は、アーチ構造と相まって、液滴が凝縮基板からヒドロゲル繊維に移動するのに十分な駆動力を提供します。同時に、分岐した –OH 鎖と –COOH 鎖は、液滴が表面を離れた後でも水分子を保持することができ、液滴の滑りを潤滑にする前駆体水膜の形成を助けます。

液滴の動きを観察するために、蛍光分子をプローブとして利用しました。捕捉された軌跡からは、ガラス上に形成された液滴がハイドロゲル繊維に迅速に送り出され、それによって凝縮サイトが再生されるという驚異的な移動速度が明らかになりました。成功は、ヒドロゲル繊維とガラス全体にわたる化学的湿潤勾配とラプラス圧力差を同時に適用したことにあります。ポンピング効果により、駆動力源として機能する液滴凝縮表面システムのエネルギーが 40% 以上減少しました。「これは、トカゲの外皮上での水の方向性分散に似ています」と Qu 教授は指摘します。

研究者らはまた、ガラス上のものと比較して、ヒドロゲル繊維表面上の水の動きの違いも観察した。ガラス上では、液滴は新しい進行角度を連続的に形成しながら凝集単位として進行し、その結果、進行中に液滴内で蛍光プローブが完全に混合されました。対照的に、ヒドロゲル繊維表面上を滑る液滴は層状の挙動を示した。水の内層はヒドロゲル表面に結合し、外層はヒドロゲル表面に直接接触することなく滑りました。「ヒドロゲル表面にぶら下がっている鎖はナマズの粘液層のように機能し、液滴と凝縮表面の間の摩擦を潤滑します」と Ji 博士は説明します。

この設計されたヒドロゲル繊維パターンにより、外部エネルギー入力を必要とせずに凝縮率が 85.9% 増加しました。さらに、太陽光発電による蒸発浄水の集水率を109％向上させることに成功しました。この研究は、自然現象についての洞察を提供しただけでなく、凝結のための液滴の動きを操作するという新しい試みも示しました。この発見は、現象を発見し、理論を実用化するという将来の取り組みの基礎を築きました。