Onderzoekers van de Universiteit van Texas in Dallas hebben ontdekt dat een nieuw oppervlak dat ze ontwikkelden om water uit de lucht te halen, kleine waterdruppeltjes aanmoedigt om spontaan in grotere druppels te bewegen.

Toen onderzoekers microdruppels water op hun vloeistof-smeermiddeloppervlak plaatsten, de microdruppels dreven zichzelf voort om te klimmen, zonder kracht van buitenaf, in grotere druppels langs een olieachtige, hellingvormige meniscus die zich vormt uit het smeermiddel rond de grotere druppeltjes. Het "vergrovingsdruppelfenomeen" vormde druppels die groot genoeg waren om te oogsten.

"Dit door de meniscus gemedieerde klimeffect maakte een snelle samensmelting mogelijk op hydrofiele oppervlakken en is nog niet eerder gemeld. We hebben een nieuw fysiek fenomeen ontdekt dat het mogelijk maakt om sneller water uit de lucht te halen zonder externe kracht, " zei Dr. Xianming Dai, universitair docent werktuigbouwkunde aan de Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science, die het werk leidde. "Als we dit nieuwe fenomeen niet hebben, de druppeltjes zouden te klein zijn, en we konden ze nauwelijks verzamelen."

Microdruppeltjes water op een hydrofiel SLIPS-oppervlak (links) stuwen zichzelf voort om te klimmen, zonder kracht van buitenaf, in grotere druppels langs een olieachtige, hellingvormige meniscus die zich vormt uit het smeermiddel rond de grotere druppeltjes. Aan de rechterkant, de videoclip laat zien hoe microdruppels zich gedragen op een stevige gladde ondergrond.

De bevindingen, gepubliceerd op 25 maart in Celrapporten Fysische Wetenschap , zou belangrijke problemen bij het oogsten van water uit de lucht kunnen oplossen. Veel druppels die condenseren uit waterdamp in de lucht zijn te klein om te worden opgevangen, en ze kunnen een oppervlak bedekken op een manier die verdere condensatie belemmert.

Het ontwikkelen van nieuwe technologieën die water uit de atmosfeer halen, is een groeiend onderzoeksgebied, aangezien steeds meer mensen in gebieden wonen waar zoet water schaars is. Wetenschappers schatten dat 4 miljard mensen elk jaar minstens een maand in regio's met ernstige zoetwatertekorten leven. Dit aantal zal naar verwachting stijgen tot tussen de 4,8 miljard en 5,7 miljard in 2050. Redenen zijn onder meer klimaatverandering, vervuilde watervoorraden en een toegenomen vraag als gevolg van zowel bevolkingsgroei als veranderingen in gebruiksgedrag.

De sleutel tot de zelfklimmende actie van de microdruppel is een oppervlak dat Dai en zijn collega's eerder hebben ontwikkeld. Hun vloeibaar smeermiddel, een hydrofiel glad, met vloeistof doordrenkt poreus oppervlak (SLIPS), heeft een uniek hydrofiel karakter voor het opvangen van water en leidt waterdruppels snel naar reservoirs.

Onderzoekers ontdekten per ongeluk het zelfrijdende druppelfenomeen op hun oppervlak. Ze waren verschillende smeermiddelen aan het testen om te bepalen welke het beste waterwinning konden vergemakkelijken toen ze zagen dat de kleinere waterdruppels zichzelf voortstuwen in grotere druppels. Dat bracht hen ertoe samen te werken met Dr. Howard A. Stone, leerstoel mechanische en ruimtevaarttechniek aan de Princeton University en een expert in vloeistofdynamica, om de onderliggende fysica van het fenomeen te onderzoeken.

"Dr. Dai en zijn team leidden dit werk. De ideeën zijn creatief, en ze deden een reeks observaties in het laboratorium waardoor ze de onderliggende fysica en de mogelijke toepassingen ervan konden begrijpen, ' zei Stone. 'Ze namen contact met me op om het mechanisme te bespreken, en we hadden verschillende Skype- of Zoom-vergaderingen en e-mailuitwisselingen. Het was allemaal erg interessant en stimulerend. Ik vond het erg leuk om de ideeën te zien evolueren naar het gepubliceerde artikel."

Als waterdamp condenseert op het vloeistof-smeermiddeloppervlak, olie uit het smeermiddel vormt een meniscus, of kromming, rond de druppels. De meniscus ziet eruit als een opwaarts gebogen helling, die fungeert als een brug waarlangs microdruppels spontaan naar grotere waterdruppels klimmen en samensmelten, een proces dat de onderzoekers het verruwingseffect noemen. De eigenschappen van het gesmeerde oppervlak voorkomen dat de waterdruppels volledig in de olie worden ondergedompeld, zodat ze op de olie kunnen drijven, waardoor ze kunnen klimmen.

"De oliemeniscus werkt als een brug, zodat de druppel erop kan klimmen, " zei Dai. "De kleine druppel zoekt actief naar een grotere. Nadat ze zijn verbonden door de brug, ze worden één."

Als kleine waterdruppels condenseren uit de lucht op een gekoeld oppervlak, ze worden thermische barrières die verdere condensatie voorkomen. Door een snelle verzameling van waterdruppels mogelijk te maken, de grovere druppeltjes helpen bij het vrijmaken van oppervlakken voor de vorming van nieuwe druppeltjes, wat sneller faciliteert, efficiëntere waterwinning.

De zelfrijdende verruwingsdruppel op hydrofiele SLIPS toont snelle verwijdering van gecondenseerde druppeltjes van submicrometer-formaat, ongeacht hoe het oppervlak is georiënteerd, die een veelbelovende benadering biedt in vergelijking met andere oppervlakken die worden gebruikt voor waterwinning.

"We kunnen geen grote hoeveelheid water oogsten tenzij we een snel oogstproces hebben. Het probleem met andere oppervlakken is dat de kleine waterdruppels kunnen verdampen voordat ze kunnen worden geoogst, ' zei Dai.

"Op basis van onze experimentele gegevens, het grovere oppervlak verbeterde de wateropbrengst 200% hoger dan zijn tegenhangers, " zei Zongqi Guo, een doctoraalstudent werktuigbouwkunde en co-hoofdauteur. Dai en zijn collega's blijven werken aan manieren om hun smeermiddel te gebruiken om duurzame waterwinningssystemen te maken die mobiel zijn, kleiner van formaat, lager in gewicht en goedkoper.

‘Als we dat kunnen, we kunnen overal water halen waar lucht is, wat vooral belangrijk is in regio's waar water schaars is, ' zei Dai.