Биоинспирированное создание гидрогелевых узоров предлагает более эффективные способы сбора воды

Переиздано Платоном

Читают: 0

биоинспирированный гидрогель — Волокна гидрогеля, напечатанные на стекле, покрыты частично сшитыми свисающими цепочками, проявляющими большое сродство к молекулам воды. Они действуют как бороздки на покровах ящериц, собирая капли, а их поверхность может образовывать гидратный слой, имитирующий слизь на коже сома, делая движение капель более плавным и быстрым (изображение предоставлено: ©Science China Press).

Новое исследование предлагает способы повышения эффективности сбора воды, особенно в отношении конденсации воды из собранных капель.

Работа сосредоточена на решении проблемы нехватки воды путем изучения сбора атмосферной воды. Вода в воздухе возникает в результате естественного и принудительного испарения, причем конденсация является последним и решающим этапом сбора воды. Конденсация включает зарождение, рост и выделение капель воды, которые затем собираются. Однако неконтролируемый рост конденсированных капель, приводящий к затоплению поверхности, является актуальной проблемой, создающей угрозу устойчивой конденсации.

Чтобы ускорить этот процесс и добиться упорядоченного и быстрого сбрасывания капель с конденсирующейся поверхности, команда Университета Цинхуа черпала вдохновение у природы. Они заметили, что австралийский тернистый дьявол – разновидность ящерицы – эффективно распространяет капли, такие как дождь, роса и прудовая вода, от своей чешуи к капиллярным каналам между чешуйками, в конечном итоге соединяясь со своим ртом. Этот естественный механизм облегчил хранение и потребление воды. Кроме того, команда черпала вдохновение у рыб, особенно у сома, у которых есть слой эпидермальной слизи, уменьшающий сопротивление при плавании и повышающий адаптацию к водной среде. Эти открытия природы решают проблемы упорядоченной навигации капель и их сбрасывания с низким сопротивлением соответственно.

Исследовательская группа использовала гидрогелевые волокна для создания искусственного рисунка на стекле, вобравшего в себя преимущества как ящериц, так и сома. Гидрогелевое волокно представляет собой взаимопроникающую сетку альгината натрия и поливинилового спирта с частично полимеризованной поверхностью и арочной структурой. Поверхность, украшенная разветвленными цепями –OH и –COOH, обладает сильным сродством к молекулам воды. Это сродство в сочетании с арочной структурой обеспечивает достаточную движущую силу для перемещения капель от конденсирующейся подложки к волокну гидрогеля. В то же время разветвленные цепи –OH и –COOH могут удерживать молекулы воды даже после того, как капли покидают поверхность, способствуя образованию прекурсорной водной пленки, которая смазывает скольжение капель.

Для наблюдения за движением капель в качестве зондов использовались флуоресцентные молекулы. Захваченные траектории показали впечатляющую скорость миграции: капли, образующиеся на стекле, быстро перекачивались к волокну гидрогеля, тем самым регенерируя места конденсации. Успех заключается в одновременном применении градиентов химического смачивания и разницы давлений Лапласа на волокне гидрогеля и стекле. Эффект накачки привел к снижению более чем на 40% энергии системы «капля-конденсирующаяся поверхность», действующей как источник движущей силы. «Это похоже на направленное рассеивание воды по покровам ящериц», — отмечает профессор Цюй.

Исследователи также заметили различия в движении воды на поверхности волокон гидрогеля по сравнению с движением воды на стекле. На стекле капли продвигались как единое целое с последовательным формированием новых углов продвижения, что приводило к полному смешиванию флуоресцентных зондов внутри капли во время продвижения. Напротив, скольжение капель по поверхности гидрогелевых волокон имело слоистый характер. Внутренний слой воды связывался с поверхностью гидрогеля, а внешний слой скользил без прямого контакта с поверхностью гидрогеля. «Свисающие цепочки на поверхности гидрогеля действуют как слой слизи сома, смазывая трение между каплями и конденсирующейся поверхностью», — объясняет доктор Джи.

Этот разработанный рисунок гидрогелевых волокон увеличил скорость конденсации на 85.9%, не требуя затрат внешней энергии. Кроме того, он был успешно применен для увеличения скорости сбора воды при солнечной испарительной очистке воды на 109%. Это исследование не только дало представление о природных явлениях, но и ознаменовало новую попытку манипулировать движением капель для конденсации. Результаты закладывают основу для будущих усилий по открытию явлений и воплощению теорий в практическое применение.