Een efficiëntere manier om zoet water uit de lucht op te vangen zou geïnspireerd kunnen worden door een fenomeen van beweging dat voor het eerst werd waargenomen in kommen ontbijtgranen.

KAUST-onderzoekers hebben waargenomen dat wanneer waterdruppels uit de lucht condenseren op een koud oppervlak bedekt met olie, de druppels een complexe dans beginnen. Deze beweging – vergelijkbaar met een proces dat bekend staat als het Cheerios-effect, waarbij het drijvende graan de neiging heeft om te clusteren als gevolg van oppervlaktespanning – zou kunnen helpen om het oogsten van water uit de atmosfeer in droge gebieden zoals Saoedi-Arabië te versnellen.

"We zijn geïnteresseerd in het ontwerpen van oppervlakken die de condensatie van water kunnen bevorderen, wat belangrijke toepassingen heeft voor warmteoverdracht en waterwinning", zegt Marcus Lin, een onderzoekscollega in het laboratorium van Dan Daniel, die het onderzoek leidde. Op een typisch stevig oppervlak blijven gecondenseerde druppels met minimale beweging aan het oppervlak kleven. "Denk aan water dat condenseert op een koud frisdrankblikje", zegt Lin. "De druppels bewegen pas als ze groot genoeg worden zodat de zwaartekracht ze naar beneden trekt."

Daniel, Lin en hun medewerkers hadden het idee dat het toevoegen van een dunne oliefilm het oppervlak zou smeren, wat zou resulteren in zeer mobiele druppels die ruimte zouden vrijmaken voor verdere druppelcondensatie, waardoor de condensatiesnelheid zou toenemen. Het idee werkte, maar de complexe manier waarop de druppels zich verplaatsten was een complete verrassing, zegt Daniel.

Toen de druppels eenmaal een kritische grootte hadden bereikt, begonnen ze over de olie te bewegen in een duidelijk patroon dat leek op een uitgebreide dans. "Ze bewogen zich aanvankelijk op een kronkelige manier voordat ze overgingen in cirkelvormige bewegingen, en daarna weer terug", zegt Lin. "Deze bewegingen vonden plaats op een schaal variërend van micrometers tot enkele centimeters, en duurden uren."

De drijvende kracht achter dit proces is dat waterdruppels die op de olie drijven, net als Cheerios in melk, naar hun buren worden getrokken. De beweging van de grotere druppels wordt aangedreven door de energie die vrijkomt als ze kleinere druppels op hun pad opslokken.

De bewegende druppels herverdelen de oliefilm en schakelen over van een kronkelige naar een cirkelvormige beweging wanneer de film plaatselijk uitgeput raakt. Zodra de lokale olie zich weer heeft hersteld, wordt de slangachtige dans hervat.

Dergelijke apparaten die op efficiënte wijze water uit de lucht kunnen opvangen door eenvoudige condensatie, zonder energie-input, worden op grote schaal gezocht omdat de druk op zoetwaterbronnen toeneemt, zegt Daniel. "Door de collectieve beweging van condenserende druppels te optimaliseren, kunnen we de condensatiesnelheid aanzienlijk verhogen en zo efficiëntere wateropvangsystemen ontwerpen", zegt hij.

Het team is van plan de mechanismen die de druppelbeweging aandrijven verder te onderzoeken, waarbij vooral de overgang van kronkelige naar cirkelvormige beweging wordt onderzocht. "Een ander belangrijk aspect is het onderzoeken van mogelijke toepassingen, met name op het gebied van de verbetering van de warmteoverdracht en het opvangen van water", voegt Lin toe.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .

Meer informatie: Marcus Lin et al., Opkomende collectieve beweging van zelfrijdende condensaatdruppeltjes, Fysieke recensiebrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.058203

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door King Abdullah University of Science and Technology