Het water in de lucht is afkomstig van zowel natuurlijke als geforceerde verdamping, waarbij condensatie de laatste en cruciale stap is bij het opvangen van water. Bij condensatie gaat het om kernvorming, groei en het afstoten van waterdruppels, die vervolgens worden opgevangen.

De oncontroleerbare groei van gecondenseerde druppels die tot overstromingen aan het oppervlak leiden, is echter een urgente uitdaging vanwege onvoldoende drijvende krachten, die een bedreiging vormen voor duurzame condensatie.

Een onderzoek, geleid door prof. Jiuhui Qu, dr. Qinghua Ji en dr. Wei Zhang van de Tsinghua Universiteit, richt zich op het aanpakken van waterschaarste door het verzamelen van water uit de atmosfeer. Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift National Science Review .

Om dit proces te versnellen en een ordelijke en snelle druppelafscheiding van het condenserende oppervlak te bereiken, haalde het team inspiratie uit de natuur. Ze merkten op dat de Australische netelige duivel op efficiënte wijze druppels, zoals regen, dauw en vijverwater, van zijn schubben naar capillaire kanalen tussen de schubben verspreidde, en uiteindelijk in zijn mond terechtkwamen.

Dit natuurlijke mechanisme maakte het gemakkelijker om water op te slaan en te consumeren. Bovendien liet het team zich inspireren door vissen, met name meervallen, die een epidermale slijmlaag bezitten die de zwemweerstand vermindert en het aanpassingsvermogen aan waterige omgevingen verbetert. Deze inzichten uit de natuur gaan in op de uitdagingen van respectievelijk een ordelijke druppelnavigatie en een druppelafscheiding met lage weerstand.

Het onderzoeksteam gebruikte hydrogelvezels om een ​​technisch patroon op glas te creëren, waarin de gunstige eigenschappen van zowel hagedissen als meervallen werden verwerkt.

De hydrogelvezel is een onderling doordringend netwerk van natriumalginaat en polyvinylalcohol met een gedeeltelijk gepolymeriseerd oppervlak en boogstructuur. Het oppervlak, versierd met vertakte –OH- ​​en –COOH-ketens, vertoont een sterke affiniteit voor watermoleculen.

Deze affiniteit, gekoppeld aan de boogstructuur, zorgt voor voldoende aandrijfkracht voor druppeltjes om van het condenserende substraat naar de hydrogelvezel te bewegen. Tegelijkertijd kunnen de vertakte –OH- ​​en –COOH-ketens watermoleculen vasthouden, zelfs nadat druppels het oppervlak hebben verlaten, wat helpt bij de vorming van een precursor-waterfilm die het glijden van druppels smeert.

Om de beweging van de druppeltjes te observeren, werden fluorescerende moleculen als probes gebruikt. De vastgelegde trajecten onthulden een indrukwekkende migratiesnelheid, waarbij druppeltjes gevormd op het glas snel naar de hydrogelvezel werden gepompt, waardoor de condensatielocaties werden geregenereerd.

Het succes ligt in de gelijktijdige toepassing van chemische bevochtigingsgradiënten en het Laplace-drukverschil over de hydrogelvezel en het glas. Het pompeffect resulteerde in een reductie van ruim 40% in de energie van het druppelcondenserende oppervlaktesysteem, dat als drijvende krachtbron fungeerde. "Dit is vergelijkbaar met de gerichte waterverspreiding over de huid van hagedissen", merkt Professor Qu op.

De onderzoekers observeerden ook verschillen in de beweging van water op het hydrogelvezeloppervlak vergeleken met die op glas. Op het glas werden de druppeltjes voortbewogen als een samenhangende eenheid met opeenvolgende vorming van nieuwe voortbewegingshoeken, wat resulteerde in een volledige vermenging van fluorescerende probes in de druppel tijdens de voortbeweging.

Daarentegen vertoonden druppeltjes die over het hydrogelvezeloppervlak gleden een gelaagd gedrag. De binnenste laag water hechtte zich aan het hydrogeloppervlak, terwijl de buitenste laag gleed zonder direct contact met het hydrogeloppervlak.

"De bungelende kettingen over het hydrogeloppervlak werken als de slijmlaag van de meerval en smeren de wrijving tussen de druppels en het condenserende oppervlak", legt Dr. Ji uit.

Dit ontwikkelde hydrogelvezelpatroon verhoogde de condensatiesnelheid met 85,9% zonder dat externe energie-input nodig was. Bovendien werd het met succes toegepast om de wateropvangsnelheid van waterzuivering door verdamping door zonne-energie met 109% te verhogen.

Deze studie biedt niet alleen inzicht in natuurlijke fenomenen, maar markeert ook een nieuwe poging om de beweging van druppels te manipuleren voor condensatie. De bevindingen leggen de basis voor toekomstige inspanningen bij het ontdekken van verschijnselen en het vertalen van theorieën naar praktische toepassingen.

Meer informatie: Wei Zhang et al., Pompen en glijden van druppels gestuurd door een hydrogelpatroon voor het opvangen van water uit de atmosfeer, National Science Review (2023). DOI:10.1093/nsr/nwad334

Aangeboden door Science China Press