Біоінспірований гідрогелевий візерунок пропонує більш ефективні способи збору води

Перевидано Платоном

читають: 0

біоінспірований гідрогель — Гідрогелеві волокна, надруковані на склі, вкриті частково зшитими звисаючими ланцюжками, демонструючи велику спорідненість до молекул води. Вони діють як канавки на шкірі ящірок, збираючи краплі, а їхня поверхня може утворювати шар гідратації, який імітує слиз на шкірі сома, щоб зробити рух крапель більш плавним і швидким (автор зображення: ©Science China Press).

Нове дослідження пропонує способи підвищення ефективності збору води, зокрема щодо конденсації води із зібраних крапель.

Робота зосереджена на вирішенні проблеми дефіциту води шляхом вивчення збирання атмосферної води. Вода в повітрі походить як від природного, так і від примусового випаровування, причому конденсація є останнім і вирішальним етапом збору води. Конденсація передбачає зародження, ріст і відщеплення крапель води, які потім збираються. Однак неконтрольоване зростання конденсованих крапель, що призводить до поверхневого затоплення, є актуальною проблемою, що створює загрозу для стійкої конденсації.

Щоб пришвидшити цей процес і досягти впорядкованого та швидкого виділення крапель із поверхні конденсації, команда з Університету Цінхуа черпала натхнення в природі. Вони помітили, що австралійський колючий диявол – різновид ящірок – ефективно поширює краплі, такі як дощ, роса та вода у ставку, від своєї луски до капілярних каналів між лусочками, зрештою з’єднуючись із її ротом. Цей природний механізм полегшив зберігання та споживання води. Крім того, команда черпала натхнення в рибах, особливо в сомах, які мають шар епідермального слизу, що зменшує опір плавання та покращує адаптацію до водного середовища. Ці ідеї природи вирішують проблеми впорядкованої навігації крапель і відкидання крапель з низьким опором відповідно.

Дослідницька група використала гідрогелеві волокна, щоб створити технічний візерунок на склі, який поєднує переваги як ящірок, так і сомів. Гідрогелеве волокно являє собою взаємопроникну мережу альгінату натрію та полівінілового спирту з частково полімеризованою поверхнею та структурою арки. Поверхня, прикрашена розгалуженими ланцюгами –OH і –COOH, виявляє сильну спорідненість до молекул води. Ця спорідненість у поєднанні з арочною структурою забезпечує достатню рушійну силу для руху крапель від конденсуючої підкладки до гідрогелевого волокна. Одночасно розгалужені ланцюги –OH і –COOH можуть утримувати молекули води навіть після того, як краплі залишають поверхню, сприяючи утворенню водяної плівки-попередника, яка змащує ковзання крапель.

Для спостереження за рухом крапель флуоресцентні молекули використовувалися як зонди. Зафіксовані траєкторії показали вражаючу швидкість міграції, коли краплі, утворені на склі, швидко перекачувалися до гідрогелевого волокна, тим самим відновлюючи місця конденсації. Успіх полягає в одночасному застосуванні градієнтів хімічного змочування та різниці тиску Лапласа на гідрогелевому волокні та склі. Ефект накачування призвів до зниження більш ніж на 40% енергії поверхневої системи, що конденсує краплі, що діє як джерело рушійної сили. «Це схоже на спрямовану дисперсію води на покривах ящірок», — зазначає професор Ку.

Дослідники також спостерігали відмінності в русі води на поверхні гідрогелевого волокна порівняно з рухом на склі. На склі краплі просувалися як когезійна одиниця з послідовним утворенням нових кутів просування, що призводило до повного змішування флуоресцентних зондів усередині краплі під час просування. Навпаки, ковзання крапель на поверхні гідрогелевого волокна демонструвало шарувату поведінку. Внутрішній шар води з’єднався з поверхнею гідрогелю, тоді як зовнішній шар ковзав без прямого контакту з поверхнею гідрогелю. «Звисаючі ланцюжки над поверхнею гідрогелю діють як слизовий шар зубатки, змащуючи тертя між краплями та поверхнею, що конденсується», — пояснює д-р Джі.

Цей візерунок з гідрогелевого волокна збільшив швидкість конденсації на 85.9% без зовнішнього підведення енергії. Крім того, його було успішно застосовано для збільшення швидкості збору води при очищенні води сонячним випаровуванням на 109%. Це дослідження не тільки дало розуміння природних явищ, але й ознаменувало нову спробу маніпулювати рухом крапель для конденсації. Отримані результати закладають основу для майбутніх зусиль у відкритті феноменів і перекладі теорій на практичне застосування.