Denk aan het dichtstbijzijnde wateroppervlak:een halfvol glas op je bureau, een plas voor je raam, of een meer aan de andere kant van de stad. Al deze oppervlakken vertegenwoordigen vloeistof-damp-interfaces, waar vloeistof lucht ontmoet. Waterdampmoleculen botsen constant met deze vloeistofoppervlakken:sommige komen door het oppervlak en condenseren, terwijl anderen gewoon stuiteren.

De kans dat een dampmolecuul zal stuiteren, of reflecteren, van een vloeistofoppervlak is een fundamentele eigenschap van water, net als zijn kookpunt. En toch, in de laatste eeuw, er is weinig overeenstemming over de waarschijnlijkheid dat een watermolecuul van het vloeistofoppervlak zal stuiteren.

"Als een waterdampmolecuul een oppervlak raakt, gaat het meteen in de vloeistof? Of komt het los en raakt het steeds weer, ga dan uiteindelijk naar binnen?" zegt Rohit Karnik, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het MIT. "Er is veel controverse, en er is geen gemakkelijke manier om deze basiseigenschap te meten."

Het kennen van deze stuiterwaarschijnlijkheid zou wetenschappers een essentieel begrip geven van een verscheidenheid aan toepassingen waarbij waterstroming betrokken is:de beweging van water door de bodem, de vorming van wolken en mist, en de efficiëntie van waterfiltratie-apparaten.

Deze laatste aanvraag spoorde Karnik en zijn collega's - Jongho Lee, een MIT-afgestudeerde student werktuigbouwkunde, en Tahar Laoui, een professor aan de King Fahd University of Petroleum and Minerals (KFUPM) in Saoedi-Arabië - om de kans op terugkaatsing van water te bestuderen. De groep ontwikkelt membranen voor waterontzilting; het succes van deze technologie hangt af, gedeeltelijk, op het vermogen van waterdamp om door het membraan te stromen en aan de andere kant als gezuiverd water te condenseren.

Door watertransport door membranen met poriën van verschillende groottes te observeren, de groep heeft de waarschijnlijkheid van een watermolecuul gemeten om op nanoschaal te condenseren of terug te stuiteren van een vloeistofoppervlak. De resultaten, gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , zou kunnen helpen bij het ontwerpen van efficiëntere ontziltingsmembranen, en kan ook het inzicht van wetenschappers in de waterstroom op nanoschaal vergroten.

"Waar je ook een vloeistofdampoppervlak hebt, er zal verdamping en condensatie optreden, " zegt Karnik. "Dus deze kans is vrij universeel, omdat het definieert wat watermoleculen doen op al dergelijke oppervlakken."

Stroom in de weg staan

Een van de eenvoudigste manieren om zout uit water te verwijderen, is door het water te koken en te verdampen - het te scheiden van zouten, dan condenseren het als gezuiverd water. Maar deze methode is energie-intensief, veel warmte nodig.

Karnik's groep ontwikkelde een ontziltingsmembraan dat het kookproces nabootst, maar zonder dat er warmte nodig is. Het flinterdunne membraan bevat poriën op nanoschaal die, van opzij gezien, lijken op kleine buisjes. De helft van elke buis is hydrofiel, of wateraantrekkend, terwijl de andere helft hydrofoob is, of waterafstotend.

Als water van de hydrofiele naar de hydrofobe kant stroomt, het verandert van vloeistof in damp op het vloeistof-damp grensvlak, het simuleren van de overgang van water tijdens het kookproces. Dampmoleculen die naar de vloeibare oplossing aan het andere uiteinde van de nanoporie gaan, kunnen erin condenseren of er vanaf stuiteren. Het membraan maakt hogere waterstroomsnelheden mogelijk als meer moleculen condenseren, in plaats van stuiteren.

Het ontwerpen van een efficiënt ontziltingsmembraan vereist een goed begrip van wat ervoor kan zorgen dat er geen water doorheen stroomt. In het geval van het membraan van de onderzoekers, ze ontdekten dat weerstand tegen waterstroming voortkwam uit twee factoren:de lengte van de nanoporiën in het membraan en de kans dat een molecuul zou stuiteren, in plaats van condenseren.

In experimenten met membranen waarvan de nanoporiën in lengte varieerden, het team merkte op dat grotere porielengte de belangrijkste factor was die de waterstroom belemmerde, dat wil zeggen, hoe groter de afstand die een molecuul moet afleggen, hoe kleiner de kans dat het door het membraan gaat. Naarmate de poriën korter worden, de twee vloeibare oplossingen dichter bij elkaar brengen, dit effect neemt af, en watermoleculen hebben een betere kans om er doorheen te komen.

Maar op een bepaalde lengte, de onderzoekers ontdekten dat weerstand tegen waterstroom voornamelijk voortkomt uit de kans van een molecuul om te stuiteren. Met andere woorden, in zeer korte poriën, de waterstroom wordt beperkt door de kans dat watermoleculen weerkaatsen van het vloeistofoppervlak, in plaats van dat ze door de nanoporiën reizen. Toen de onderzoekers dit effect kwantificeerden, ze ontdekten dat slechts 20 tot 30 procent van de waterdampmoleculen die het vloeistofoppervlak raken, daadwerkelijk condenseren, waarbij de meerderheid wegspringt.

Een no-bounce ontwerp

Ze ontdekten ook dat de stuiterkans van een molecuul afhangt van de temperatuur:64 procent van de moleculen zal stuiteren bij 90 graden Fahrenheit, terwijl 82 procent van de moleculen op 140 graden zal stuiteren. De groep bracht de kans op weerkaatsing van water in kaart in relatie tot de temperatuur, het produceren van een grafiek die volgens Karnik onderzoekers kunnen raadplegen bij het berekenen van stromen op nanoschaal in veel systemen.

"Deze waarschijnlijkheid vertelt ons hoe verschillende poriestructuren zullen presteren in termen van flux, " zegt Karnik. "Hoe kort moeten we de porie maken en welke stroomsnelheden krijgen we? Deze parameter heeft een directe invloed op de ontwerpoverwegingen van ons filtratiemembraan."

Lee zegt dat het kennen van de weerkaatsing van water ook kan helpen het vochtgehalte in brandstofcellen onder controle te houden.

"Een van de problemen met brandstofcellen met protonenuitwisselingsmembraan is, nadat waterstof en zuurstof reageren, water wordt gegenereerd. Maar als je de waterstroom slecht onder controle hebt, je laat de brandstofcel zelf overstromen, Lee zegt. "Bij dat soort brandstofcellen zijn membranen en structuren op nanoschaal betrokken. Als je het juiste gedrag van condensatie of verdamping van water op nanoschaal begrijpt, je kunt de vochtigheid van de brandstofcel regelen en de hele tijd goede prestaties behouden."