Modelarea hidrogel bioinspirată oferă modalități mai eficiente de a recolta apă | Envirotec

Un nou studiu sugerează modalități de îmbunătățire a eficienței recoltării apei, în special în legătură cu condensarea apei din picăturile colectate.

Lucrarea se concentrează pe abordarea deficitului de apă prin explorarea recoltării apei atmosferice. Apa din aer provine atât din evaporare naturală, cât și din evaporare forțată, condensul fiind etapa finală și crucială în recoltarea apei. Condensarea implică nuclearea, creșterea și scurgerea picăturilor de apă, care sunt apoi colectate. Cu toate acestea, creșterea necontrolată a picăturilor condensate care duce la inundații de suprafață este o provocare presantă, reprezentând o amenințare la adresa condensului durabil.

Pentru a accelera acest proces și pentru a obține scurgerea ordonată și rapidă a picăturilor de pe suprafața de condensare, echipa – Universitatea Tsinghua – s-a inspirat din natură. Ei au observat că diavolul spinos australian – o specie de șopârlă – a răspândit eficient picături, cum ar fi ploile, roua și apa din iaz, de la solzi până la canalele capilare dintre solzi, conectându-se în cele din urmă la gura sa. Acest mecanism natural a făcut apa mai ușor de stocat și consumat. În plus, echipa sa inspirat din pești, în special somn, care posedă un strat de mucus epidermic care reduce rezistența la înot și îmbunătățește adaptabilitatea la mediile apoase. Aceste perspective din natură abordează provocările navigării ordonate ale picăturilor și, respectiv, vărsării picăturilor cu rezistență redusă.

Echipa de cercetare a folosit fibre de hidrogel pentru a crea un model proiectat pe sticlă, încorporând caracteristicile avantajoase atât ale șopârlelor, cât și ale somnului. Fibra de hidrogel este o rețea întrepătrunsă de alginat de sodiu și alcool polivinilic cu o suprafață parțial polimerizată și o structură arcuită. Suprafața, împodobită cu lanțuri ramificate –OH și –COOH, prezintă o afinitate puternică pentru moleculele de apă. Această afinitate, cuplată cu structura arcului, asigură o forță motrice suficientă pentru ca picăturile să se deplaseze de la substratul de condensare la fibra de hidrogel. Simultan, lanțurile ramificate –OH și –COOH pot reține moleculele de apă chiar și după ce picăturile părăsesc suprafața, ajutând la formarea unui film de apă precursor care lubrifiază alunecarea picăturilor.

Pentru a observa mișcarea picăturilor, moleculele fluorescente au fost utilizate ca sonde. Traiectoriile capturate au relevat o rată de migrare impresionantă, cu picături formate pe sticlă pompate rapid către fibra de hidrogel, regenerând astfel locurile de condensare. Succesul constă în aplicarea concomitentă a gradienților chimici de umectare și a diferenței de presiune Laplace între fibra de hidrogel și sticlă. Efectul de pompare a dus la o reducere de peste 40% a energiei sistemului de suprafață de condensare a picăturilor, acționând ca sursă de forță motrice. „Acest lucru este similar cu dispersia direcțională a apei peste tegumentele șopârlelor”, notează profesorul Qu.

Cercetătorii au observat, de asemenea, diferențe în mișcarea apei pe suprafața fibrei de hidrogel în comparație cu cea de pe sticlă. Pe sticlă, picăturile au avansat ca o unitate coerentă cu formarea succesivă de noi unghiuri de avansare, ducând la amestecarea completă a sondelor fluorescente în picătură în timpul avansării. În schimb, alunecarea picăturilor pe suprafața fibrei de hidrogel a prezentat un comportament stratificat. Stratul interior de apă s-a legat de suprafața hidrogelului, în timp ce stratul exterior a alunecat fără contact direct cu suprafața hidrogelului. „Lanțurile care atârnă pe suprafața hidrogelului acționează ca stratul de mucus al somnului, lubrifiind frecarea dintre picături și suprafața de condensare”, explică dr. Ji.

Acest model de fibre de hidrogel proiectat a crescut rata de condensare cu 85.9% fără a necesita energie externă. Mai mult, a fost aplicat cu succes pentru a spori rata de colectare a apei de purificare a apei prin evaporare solară cu 109%. Acest studiu nu numai că a oferit perspective asupra fenomenelor naturale, dar a marcat și o nouă încercare de a manipula mișcarea picăturilor pentru condensare. Descoperirile pun bazele eforturilor viitoare de descoperire a fenomenelor și de traducere a teoriilor în aplicații practice.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://envirotecmagazine.com/2024/01/31/bioinspired-hydrogel-patterning-offers-more-effective-ways-to-harvest-water/