Padronização de hidrogel bioinspirado oferece maneiras mais eficazes de coletar água

Republicado por Platão

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hidrogel bioinspirado — As fibras de hidrogel impressas no vidro são cobertas por cadeias pendentes parcialmente reticuladas, exibindo grande afinidade com as moléculas de água. Eles agem como ranhuras nos tegumentos dos lagartos para coletar gotículas e sua superfície pode formar uma camada de hidratação para imitar o muco na pele do bagre, tornando o movimento das gotículas mais suave e rápido (crédito da imagem: ©Science China Press).

Um novo estudo sugere formas de melhorar a eficácia da captação de água, especificamente em relação à condensação da água das gotículas coletadas.

O trabalho se concentra em abordar a escassez de água explorando a captação de água atmosférica. A água no ar provém da evaporação natural e forçada, sendo a condensação a etapa final e crucial na captação de água. A condensação envolve nucleação, crescimento e liberação de gotículas de água, que são então coletadas. No entanto, o crescimento incontrolável de gotículas condensadas que levam à inundação da superfície é um desafio premente, representando uma ameaça à condensação sustentável.

Para agilizar este processo e conseguir uma libertação ordenada e rápida de gotículas da superfície de condensação, a equipa – Universidade de Tsinghua – inspirou-se na natureza. Eles observaram que o diabo-espinhoso australiano – uma espécie de lagarto – espalha com eficiência gotículas, como chuvas, orvalho e água de lagoas, de suas escamas para canais capilares entre as escamas, eventualmente conectando-se à sua boca. Esse mecanismo natural tornou a água mais fácil de armazenar e consumir. Além disso, a equipe inspirou-se nos peixes, principalmente no bagre, que possuem uma camada de muco epidérmico que reduz o arrasto natatório e aumenta a adaptabilidade a ambientes aquosos. Esses insights da natureza abordam os desafios da navegação ordenada de gotículas e do derramamento de gotículas com baixo arrasto, respectivamente.

A equipe de pesquisa empregou fibras de hidrogel para criar um padrão de engenharia no vidro, incorporando as características vantajosas de lagartos e bagres. A fibra de hidrogel é uma rede interpenetrada de alginato de sódio e álcool polivinílico com superfície parcialmente polimerizada e estrutura em arco. A superfície, adornada com cadeias ramificadas –OH e –COOH, exibe uma forte afinidade por moléculas de água. Essa afinidade, acoplada à estrutura em arco, fornece força motriz suficiente para que as gotículas se movam do substrato de condensação para a fibra de hidrogel. Simultaneamente, as cadeias ramificadas –OH e –COOH podem reter moléculas de água mesmo depois que as gotículas deixam a superfície, auxiliando na formação de uma película precursora de água que lubrifica o deslizamento das gotículas.

Para observar o movimento das gotículas, moléculas fluorescentes foram utilizadas como sondas. As trajetórias capturadas revelaram uma taxa de migração impressionante, com gotículas formadas no vidro bombeadas rapidamente para a fibra de hidrogel, regenerando assim os locais de condensação. O sucesso reside na aplicação simultânea de gradientes de umedecimento químicos e na diferença de pressão de Laplace através da fibra de hidrogel e do vidro. O efeito de bombeamento resultou em uma redução de mais de 40% na energia do sistema de superfície de condensação de gotas, atuando como fonte de força motriz. “Isso é semelhante à dispersão direcional da água sobre os tegumentos dos lagartos”, observa o professor Qu.

Os pesquisadores também observaram distinções no movimento da água na superfície da fibra do hidrogel em comparação com o movimento do vidro. No vidro, as gotículas avançaram como uma unidade coesiva com formação sucessiva de novos ângulos de avanço, resultando na mistura completa das sondas fluorescentes dentro da gotícula durante o avanço. Em contraste, o deslizamento das gotas na superfície da fibra de hidrogel exibiu um comportamento em camadas. A camada interna de água aderiu à superfície do hidrogel, enquanto a camada externa deslizou sem contato direto com a superfície do hidrogel. “As correntes penduradas sobre a superfície do hidrogel agem como a camada de muco do bagre, lubrificando o atrito entre as gotículas e a superfície de condensação”, explica o Dr.

Este padrão de fibra de hidrogel projetado aumentou a taxa de condensação em 85.9% sem exigir entrada de energia externa. Além disso, foi aplicado com sucesso para aumentar a taxa de coleta de água da purificação de água por evaporação solar em 109%. Este estudo não apenas forneceu insights sobre fenômenos naturais, mas também marcou uma nova tentativa de manipular o movimento das gotículas para condensação. As descobertas estabelecem as bases para esforços futuros na descoberta de fenômenos e na tradução de teorias em aplicações práticas.