Bioinspirowane wzorami hydrożelowymi oferują skuteczniejsze sposoby gromadzenia wody

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

bioinspirowany hydrożel — Włókna hydrożelowe nadrukowane na szkle są pokryte częściowo usieciowanymi, wiszącymi łańcuchami, wykazującymi duże powinowactwo do cząsteczek wody. Działają jak rowki na skórze jaszczurki, zbierają kropelki, a ich powierzchnia może tworzyć warstwę nawilżającą imitującą śluz na skórze suma, dzięki czemu ruch kropelek będzie płynniejszy i szybszy (zdjęcie: ©Science China Press).

Nowe badanie sugeruje sposoby poprawy efektywności zbierania wody, szczególnie w odniesieniu do kondensacji wody z zebranych kropelek.

Prace skupiają się na rozwiązaniu problemu niedoboru wody poprzez zbadanie możliwości gromadzenia wody atmosferycznej. Woda w powietrzu powstaje zarówno w wyniku naturalnego, jak i wymuszonego parowania, przy czym kondensacja jest ostatnim i kluczowym etapem gromadzenia wody. Kondensacja obejmuje zarodkowanie, wzrost i wydzielanie kropelek wody, które są następnie zbierane. Jednak niekontrolowany wzrost skondensowanych kropelek prowadzący do zalania powierzchni stanowi palące wyzwanie i stwarza zagrożenie dla trwałej kondensacji.

Aby przyspieszyć ten proces i zapewnić uporządkowane i szybkie usuwanie kropel z powierzchni kondensacyjnej, zespół – Uniwersytet Tsinghua – zainspirował się naturą. Zaobserwowali, że australijski diabeł ciernisty – gatunek jaszczurki – skutecznie rozprowadza kropelki, takie jak deszcz, rosa i woda w stawie, z łusek do kanałów kapilarnych między łuskami, ostatecznie łącząc się z pyskiem. Ten naturalny mechanizm ułatwił przechowywanie i spożywanie wody. Ponadto zespół zainspirował się rybami, zwłaszcza sumami, które posiadają naskórkową warstwę śluzu, która zmniejsza opór podczas pływania i zwiększa zdolność przystosowania się do środowiska wodnego. Te spostrzeżenia z natury dotyczą odpowiednio wyzwań związanych z uporządkowaną nawigacją kropel i zrzucaniem kropel o niskim oporze.

Zespół badawczy wykorzystał włókna hydrożelowe do stworzenia na szkle sztucznego wzoru łączącego korzystne cechy jaszczurek i sumów. Włókno hydrożelowe to wzajemnie przenikająca się sieć alginianu sodu i polialkoholu winylowego o częściowo spolimeryzowanej powierzchni i strukturze łuku. Powierzchnia ozdobiona rozgałęzionymi łańcuchami –OH i –COOH wykazuje silne powinowactwo do cząsteczek wody. To powinowactwo, w połączeniu ze strukturą łuku, zapewnia wystarczającą siłę napędową, aby kropelki przemieszczały się z podłoża kondensującego do włókna hydrożelowego. Jednocześnie rozgałęzione łańcuchy –OH i –COOH mogą zatrzymywać cząsteczki wody nawet po opuszczeniu powierzchni przez kropelki, pomagając w tworzeniu prekursorowego filmu wodnego, który smaruje ślizganie się kropel.

Do obserwacji ruchu kropelek jako sondy wykorzystano cząsteczki fluorescencyjne. Uchwycone trajektorie wykazały imponującą szybkość migracji, a kropelki utworzone na szkle są szybko pompowane do włókna hydrożelowego, regenerując w ten sposób miejsca kondensacji. Sukces polega na jednoczesnym zastosowaniu chemicznych gradientów zwilżania i różnicy ciśnień Laplace'a na włóknie hydrożelowym i szkle. Efekt pompowania spowodował redukcję o ponad 40% energii układu powierzchniowego kondensującego kropelki, będącego źródłem siły napędowej. „Jest to podobne do kierunkowego rozpraszania wody na powłokach jaszczurek” – zauważa profesor Qu.

Naukowcy zaobserwowali także różnice w ruchu wody na powierzchni włókien hydrożelowych w porównaniu z ruchem wody na powierzchni szkła. Na szkle kropelki przemieszczały się jako spójna jednostka z sukcesywnym tworzeniem nowych kątów natarcia, co skutkowało całkowitym wymieszaniem sond fluorescencyjnych w kropli podczas przemieszczania się. Natomiast krople ślizgające się po powierzchni włókien hydrożelowych wykazywały zachowanie warstwowe. Wewnętrzna warstwa wody związała się z powierzchnią hydrożelu, natomiast warstwa zewnętrzna ślizgała się bez bezpośredniego kontaktu z powierzchnią hydrożelu. „Zwisające łańcuchy nad powierzchnią hydrożelu działają jak warstwa śluzu suma, nawilżając tarcie między kropelkami a powierzchnią kondensującą” – wyjaśnia dr Ji.

Ten opracowany wzór włókien hydrożelowych zwiększył szybkość kondensacji o 85.9% bez konieczności wprowadzania energii zewnętrznej. Co więcej, rozwiązanie to z powodzeniem zastosowano w celu zwiększenia o 109% szybkości zbierania wody w procesie słonecznego oczyszczania wody przez wyparowanie. Badanie to nie tylko dostarczyło wglądu w zjawiska naturalne, ale także stanowiło nową próbę manipulowania ruchem kropel w celu kondensacji. Odkrycia stanowią podstawę przyszłych wysiłków w odkrywaniu zjawisk i przekładaniu teorii na praktyczne zastosowania.