Bioinspirert hydrogelmønster gir mer effektive måter å høste vann på

Publisert av Platon

Følgere: 0

bioinspirert-hydrogel — Hydrogelfibrene som er trykt på glasset er dekket av delvis tverrbundne dinglende kjeder, som viser stor affinitet mot vannmolekyler. De fungerer som rillene på integumentene til øgler for å samle dråper, og overflaten deres kan danne et hydreringslag for å etterligne slimet på steinbitskinnet for å gjøre dråpebevegelsen jevnere og raskere (bildekreditt: ©Science China Press).

En ny studie foreslår måter å forbedre effektiviteten av vannhøsting, spesielt i forhold til kondensering av vann fra oppsamlede dråper.

Arbeidet fokuserer på å adressere vannmangel ved å utforske atmosfærisk vannhøsting. Vannet i luften stammer fra både naturlig og tvungen fordampning, med kondens som det siste og avgjørende trinnet i vanninnsamling. Kondensering innebærer kjernedannelse, vekst og avgivelse av vanndråper, som deretter samles opp. Ukontrollerbar vekst av kondenserte dråper som fører til overflateflom er imidlertid en presserende utfordring, og utgjør en trussel mot bærekraftig kondens.

For å fremskynde denne prosessen og oppnå ryddig og rask dråpeavgivelse fra den kondenserende overflaten, tok teamet – Tsinghua University – inspirasjon fra naturen. De observerte at den australske tornedjevelen – en øgleart – effektivt spredte dråper, som regn, dugg og damvann, fra skjellene til kapillære kanaler mellom skjellene, som til slutt kobles til munnen. Denne naturlige mekanismen gjorde vann lettere å lagre og konsumere. I tillegg hentet teamet inspirasjon fra fisk, spesielt steinbit, som har et epidermalt slimlag som reduserer svømming og forbedrer tilpasningsevnen til vannholdige miljøer. Denne innsikten fra naturen adresserer utfordringene med henholdsvis ryddig dråpenavigasjon og dråpeavgivelse med lavt drag.

Forskerteamet brukte hydrogelfibre for å lage et konstruert mønster på glass, med de fordelaktige egenskapene til både øgler og steinbit. Hydrogelfiberen er et gjennomtrengt nettverk av natriumalginat og polyvinylalkohol med en delvis polymerisert overflate og buestruktur. Overflaten, utsmykket med forgrenede –OH- og –COOH-kjeder, viser en sterk affinitet for vannmolekyler. Denne affiniteten, kombinert med buestrukturen, gir tilstrekkelig drivkraft for at dråper kan bevege seg fra det kondenserende substratet til hydrogelfiberen. Samtidig kan de forgrenede -OH- og -COOH-kjedene beholde vannmolekyler selv etter at dråper forlater overflaten, og hjelper til med dannelsen av en forløpervannfilm som smører dråpeglidning.

For å observere dråpebevegelse ble fluorescerende molekyler brukt som prober. De fangede banene avslørte en imponerende migrasjonshastighet, med dråper dannet på glasset som raskt ble pumpet til hydrogelfiberen, og derved regenererte kondenseringsstedene. Suksessen ligger i samtidig påføring av kjemiske fuktingsgradienter og Laplace-trykkforskjellen over hydrogelfiberen og glasset. Pumpeeffekten resulterte i en reduksjon på over 40 % i energien til det dråpekondenserende overflatesystemet, som fungerte som drivkraftkilden. "Dette ligner på retningsbestemt vannspredning over integumentene til øgler", bemerker professor Qu.

Forskerne observerte også forskjeller i bevegelse av vann på hydrogelfiberoverflaten sammenlignet med glass. På glasset avanserte dråpene som en sammenhengende enhet med suksessiv dannelse av nye fremadskridende vinkler, noe som resulterte i fullstendig blanding av fluorescerende prober i dråpen under fremføring. Derimot viste dråpeglidning på hydrogelfiberoverflaten en lagdelt oppførsel. Det indre laget av vann festet seg til hydrogeloverflaten, mens det ytre laget gled uten direkte kontakt med hydrogeloverflaten. "De dinglende kjedene over hydrogeloverflaten fungerer som slimlaget til steinbiten, og smører friksjonen mellom dråpene og kondensoverflaten," forklarer Dr. Ji.

Dette konstruerte hydrogelfibermønsteret økte kondensasjonshastigheten med 85.9 % uten å kreve ekstern energitilførsel. Dessuten ble det brukt med suksess for å øke vannoppsamlingshastigheten for solenergi fordampende vannrensing med 109%. Denne studien ga ikke bare innsikt i naturfenomener, men markerte også et nytt forsøk på å manipulere dråpebevegelse for kondens. Funnene legger grunnlaget for fremtidige bestrebelser med å oppdage fenomener og omsette teorier til praktiske anvendelser.