Tạo mẫu Hydrogel lấy cảm hứng từ sinh học mang lại những cách thu hoạch nước hiệu quả hơn

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

hydrogel sinh học — Các sợi hydrogel in trên kính được bao phủ bởi các chuỗi lủng lẳng liên kết ngang một phần, thể hiện ái lực lớn với các phân tử nước. Chúng hoạt động giống như các rãnh trên cơ thể của thằn lằn để thu thập các giọt nước và bề mặt của chúng có thể tạo thành một lớp hydrat hóa mô phỏng chất nhầy trên da cá da trơn để khiến chuyển động của các giọt nước trở nên trơn tru và nhanh chóng hơn (nguồn hình ảnh: ©Science China Press).

Một nghiên cứu mới đề xuất các cách để nâng cao hiệu quả thu nước, đặc biệt liên quan đến sự ngưng tụ nước từ các giọt thu được.

Công việc tập trung vào việc giải quyết tình trạng khan hiếm nước bằng cách khám phá việc thu hoạch nước trong khí quyển. Nước trong không khí có nguồn gốc từ sự bốc hơi tự nhiên và bốc hơi cưỡng bức, với sự ngưng tụ là bước cuối cùng và quan trọng trong quá trình thu hoạch nước. Quá trình ngưng tụ bao gồm quá trình tạo mầm, tăng trưởng và tách các giọt nước, sau đó được thu thập. Tuy nhiên, sự phát triển không thể kiểm soát của các giọt ngưng tụ dẫn đến lũ lụt bề mặt là một thách thức cấp bách, gây ra mối đe dọa đối với quá trình ngưng tụ bền vững.

Để đẩy nhanh quá trình này và đạt được sự thoát ra các giọt nước một cách có trật tự và nhanh chóng từ bề mặt ngưng tụ, nhóm nghiên cứu – Đại học Thanh Hoa – đã lấy cảm hứng từ thiên nhiên. Họ quan sát thấy quỷ gai Úc – một loài thằn lằn – có khả năng phát tán các giọt nước như mưa, sương và nước ao một cách hiệu quả từ vảy của nó đến các kênh mao dẫn giữa các vảy, cuối cùng kết nối với miệng của nó. Cơ chế tự nhiên này làm cho nước dễ dàng lưu trữ và tiêu thụ hơn. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu lấy cảm hứng từ cá, đặc biệt là cá da trơn, chúng có lớp chất nhầy biểu bì làm giảm lực cản khi bơi và tăng cường khả năng thích ứng với môi trường nước. Những hiểu biết sâu sắc từ thiên nhiên này lần lượt giải quyết các thách thức trong việc điều hướng giọt nước có trật tự và loại bỏ giọt nước có lực kéo thấp.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng sợi hydrogel để tạo ra hoa văn kỹ thuật trên kính, kết hợp các đặc điểm có lợi của cả thằn lằn và cá da trơn. Sợi hydrogel là một mạng lưới đan xen giữa natri alginate và rượu polyvinyl với bề mặt và cấu trúc vòm được polyme hóa một phần. Bề mặt được trang trí bằng các chuỗi –OH và –COOH phân nhánh, thể hiện ái lực mạnh mẽ với các phân tử nước. Ái lực này, cùng với cấu trúc vòm, cung cấp đủ lực để các giọt di chuyển từ chất nền ngưng tụ sang sợi hydrogel. Đồng thời, các chuỗi –OH và –COOH phân nhánh có thể giữ lại các phân tử nước ngay cả sau khi các giọt nước rời khỏi bề mặt, hỗ trợ hình thành màng nước tiền thân giúp bôi trơn các giọt nước trượt.

Để quan sát chuyển động của giọt nước, các phân tử huỳnh quang được sử dụng làm đầu dò. Các quỹ đạo được ghi lại cho thấy tốc độ di chuyển ấn tượng, với các giọt hình thành trên kính nhanh chóng được bơm vào sợi hydrogel, từ đó tái tạo các vị trí ngưng tụ. Thành công nằm ở việc ứng dụng đồng thời gradient làm ướt hóa học và chênh lệch áp suất Laplace giữa sợi hydrogel và thủy tinh. Hiệu ứng bơm làm giảm hơn 40% năng lượng của hệ thống bề mặt ngưng tụ giọt nước, đóng vai trò là nguồn động lực. Giáo sư Qu lưu ý: “Điều này tương tự như sự phân tán nước theo hướng trên cơ thể của thằn lằn”.

Các nhà nghiên cứu cũng quan sát thấy sự khác biệt trong chuyển động của nước trên bề mặt sợi hydrogel so với trên kính. Trên kính, các giọt tiến lên như một đơn vị gắn kết với sự hình thành liên tiếp các góc tiến mới, dẫn đến sự trộn lẫn hoàn toàn các đầu dò huỳnh quang bên trong giọt trong quá trình tiến lên. Ngược lại, giọt nước trượt trên bề mặt sợi hydrogel thể hiện tính chất phân lớp. Lớp nước bên trong liên kết với bề mặt hydrogel, trong khi lớp bên ngoài trượt mà không tiếp xúc trực tiếp với bề mặt hydrogel. Tiến sĩ Ji giải thích: “Các chuỗi lơ lửng trên bề mặt hydrogel hoạt động giống như lớp chất nhầy của cá da trơn, bôi trơn ma sát giữa các giọt nước và bề mặt ngưng tụ”.

Mẫu sợi hydrogel được thiết kế này đã tăng tốc độ ngưng tụ lên 85.9% mà không cần năng lượng đầu vào bên ngoài. Hơn nữa, nó đã được áp dụng thành công để nâng cao tỷ lệ thu gom nước của quá trình lọc nước bay hơi bằng năng lượng mặt trời lên 109%. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về các hiện tượng tự nhiên mà còn đánh dấu một nỗ lực mới nhằm điều khiển chuyển động của giọt nước để ngưng tụ. Những phát hiện này đặt nền tảng cho những nỗ lực trong tương lai trong việc khám phá các hiện tượng và chuyển các lý thuyết thành ứng dụng thực tế.