생체 영감을 받은 하이드로겔 패터닝은 물을 수확하는 보다 효과적인 방법을 제공합니다

플라톤에 의해 재발행

팔로워 : 0

생체 영감을 받은 하이드로겔 — 유리에 인쇄된 하이드로겔 섬유는 부분적으로 가교된 매달린 사슬로 덮여 있어 물 분자에 대해 큰 친화력을 나타냅니다. 그들은 물방울을 모으기 위해 도마뱀 외피의 홈과 같은 역할을 하며 표면은 물방울의 움직임을 보다 부드럽고 빠르게 만들기 위해 메기 피부의 점액을 모방하는 수화층을 형성할 수 있습니다(이미지 출처: ©Science China Press).

새로운 연구는 특히 수집된 물방울에서 물의 응축과 관련하여 물 수확의 효율성을 향상시키는 방법을 제안합니다.

이 작업은 대기 중 물 수확을 탐구하여 물 부족 문제를 해결하는 데 중점을 둡니다. 공기 중의 물은 자연 증발과 강제 증발 모두에서 발생하며, 응축은 물 수확의 최종적이고 중요한 단계입니다. 응축에는 물방울의 핵 생성, 성장 및 배출이 포함되며, 물방울이 수집됩니다. 그러나 표면 범람으로 이어지는 응축된 물방울의 통제할 수 없는 성장은 지속 가능한 응축에 위협이 되는 긴급한 과제입니다.

이 과정을 촉진하고 응축 표면에서 규칙적이고 신속한 물방울 배출을 달성하기 위해 팀인 Tsinghua University는 자연에서 영감을 얻었습니다. 그들은 도마뱀의 일종인 호주 가시악마가 비늘, 이슬, 연못 물과 같은 물방울을 비늘에서 비늘 사이의 모세관 채널로 효율적으로 퍼뜨려 결국 입으로 연결되는 것을 관찰했습니다. 이러한 자연적인 메커니즘으로 인해 물을 더 쉽게 저장하고 섭취할 수 있게 되었습니다. 또한 팀은 수영 저항을 줄이고 수성 환경에 대한 적응성을 향상시키는 표피 점액층을 보유하고 있는 물고기, 특히 메기에서 영감을 얻었습니다. 자연에서 얻은 이러한 통찰력은 각각 질서 있는 물방울 탐색 및 저항력이 낮은 물방울 흘리기의 문제를 해결합니다.

연구팀은 하이드로겔 섬유를 사용해 유리에 공학적 패턴을 만들어 도마뱀과 메기의 장점을 모두 통합했습니다. 하이드로겔 섬유는 부분적으로 중합된 표면과 아치 구조를 가진 알긴산 나트륨과 폴리비닐 알코올의 상호 침투 네트워크입니다. 가지 모양의 -OH 및 -COOH 사슬로 장식된 표면은 물 분자에 대해 강한 친화력을 나타냅니다. 아치 구조와 결합된 이러한 친화력은 액적이 응축 기판에서 하이드로겔 섬유로 이동하는 데 충분한 추진력을 제공합니다. 동시에, 분지형 -OH 및 -COOH 사슬은 물방울이 표면을 떠난 후에도 물 분자를 유지할 수 있어 물방울 미끄러짐을 윤활하는 전구체 수막 형성을 돕습니다.

액적의 움직임을 관찰하기 위해 형광 분자를 프로브로 활용했습니다. 캡처된 궤적은 유리에 형성된 물방울이 하이드로겔 섬유로 신속하게 펌핑되어 응축 지점을 재생하는 인상적인 이동 속도를 보여주었습니다. 성공은 하이드로겔 섬유와 유리 전체에 화학적 습윤 구배와 라플라스 압력 차이를 동시에 적용하는 데 있습니다. 펌핑 효과는 구동력 소스로 작용하는 액적 응축 표면 시스템의 에너지를 40% 이상 감소시키는 결과를 가져왔습니다. Qu 교수는 “이는 도마뱀 외피에 물이 방향성으로 분산되는 것과 유사하다”고 지적합니다.

연구진은 또한 유리 표면과 비교하여 하이드로겔 섬유 표면에서 물의 움직임이 구별되는 것을 관찰했습니다. 유리 위에서 액적은 새로운 전진 각도가 연속적으로 형성되는 응집 단위로 전진하여 전진하는 동안 액적 내에서 형광 프로브가 완전히 혼합됩니다. 대조적으로, 하이드로겔 섬유 표면에서 미끄러지는 물방울은 층화된 거동을 나타냈습니다. 물의 내부 층은 하이드로겔 표면에 결합된 반면, 외부 층은 하이드로겔 표면과 직접 접촉하지 않고 미끄러졌습니다. “히드로겔 표면 위에 매달려 있는 사슬은 메기의 점액층처럼 작용하여 물방울과 응결 표면 사이의 마찰을 윤활하게 합니다”라고 Ji 박사는 설명합니다.

이 가공된 하이드로겔 섬유 패턴은 외부 에너지 입력 없이도 응축률을 85.9% 증가시켰습니다. 또한, 태양광 증발 정수기의 집수율을 109% 향상시키는데 성공하였습니다. 이 연구는 자연 현상에 대한 통찰력을 제공했을 뿐만 아니라 응축을 위해 물방울 움직임을 조작하려는 새로운 시도를 의미합니다. 이번 연구 결과는 현상을 발견하고 이론을 실제 적용으로 전환하려는 미래의 노력을 위한 토대를 마련했습니다.