Investigadores de la Universidad de Texas en Dallas han descubierto que una nueva superficie que desarrollaron para recolectar agua del aire fomenta que pequeñas gotas de agua se muevan espontáneamente hacia gotas más grandes.
Cuando los investigadores colocaron microgotas de agua en la superficie de su lubricante líquido, las microgotas se impulsaron a trepar, sin fuerza externa, en gotas más grandes a lo largo de un menisco aceitoso en forma de rampa que se forma a partir del lubricante alrededor de las gotas más grandes. El "engrosamientoEl fenómeno de las gotas "formó gotas lo suficientemente grandes como para ser recolectadas.
"Este efecto trepador mediado por meniscos permitió una rápida coalescencia en superficies hidrófilas y no se había informado antes. Hemos descubierto un nuevo fenómeno físico que hace posible recolectar agua del aire más rápidamente sin fuerza externa", dijo el Dr. Xianming Dai, profesor asistente de ingeniería mecánica en la Escuela de Ingeniería y Ciencias de la Computación Erik Jonsson, quien dirigió el trabajo. "Si no tenemos este nuevo fenómeno, las gotas serían demasiado pequeñas y difícilmente podríamos recolectarlas".
Las microgotas de agua en una superficie SLIPS hidrófila izquierda se impulsan para trepar, sin fuerza externa, en gotas más grandes a lo largo de un menisco aceitoso en forma de rampa que se forma a partir del lubricante alrededor de las gotas más grandes. A la derecha, el videoclipmuestra cómo se comportan las microgotas en una superficie sólida y resbaladiza.
Los hallazgos, publicados el 25 de marzo en Informes de células Ciencias físicas , podría resolver problemas clave en la recolección de agua del aire. Muchas gotas que se condensan del vapor de agua en el aire son demasiado pequeñas para ser recolectadas y pueden cubrir una superficie de una manera que impide una mayor condensación.
El desarrollo de nuevas tecnologías que recolectan agua de la atmósfera es un campo de investigación en crecimiento a medida que más y más personas viven en áreas donde hay escasez de agua dulce. Los científicos estiman que 4 mil millones de personas viven en regiones con escasez severa de agua dulce durante al menos unames cada año. Se prevé que este número aumente a entre 4.800 millones y 5.700 millones para 2050. Las razones incluyen el cambio climático, el suministro de agua contaminada y el aumento de la demanda debido tanto al crecimiento de la población como a los cambios en el comportamiento de uso.
La clave para la acción de auto-escalada de la microgotita es una superficie que Dai y sus colegas desarrollaron previamente. Su lubricante líquido, una superficie porosa hidrofílica resbaladiza infundida con líquido SLIPS, tiene una naturaleza hidrofílica única para la recolección de agua y dirige rápidamente el aguagotitas en depósitos.
Los investigadores descubrieron por accidente el fenómeno de las gotas autopropulsadas en su superficie. Estaban probando diferentes lubricantes para determinar cuál podría facilitar mejor la recolección de agua cuando vieron que las gotas de agua más pequeñas se propulsaban en gotas más grandes. Eso los llevó a colaborar con el Dr.Howard A. Stone, presidente de ingeniería mecánica y aeroespacial de la Universidad de Princeton y experto en dinámica de fluidos, para investigar la física subyacente del fenómeno.
"El Dr. Dai y su equipo dirigieron este trabajo. Las ideas son creativas e hicieron una serie de observaciones en el laboratorio que les permitió comprender la física subyacente y sus aplicaciones potenciales", dijo Stone.para discutir el mecanismo, y tuvimos varias reuniones de Skype o Zoom e intercambios de correo electrónico. Todo fue muy interesante y estimulante. Disfruté mucho al ver que las ideas evolucionaron en el artículo publicado ".
A medida que el vapor de agua se condensa en la superficie del lubricante líquido, el aceite del lubricante forma un menisco, o curvatura, alrededor de las gotas. El menisco parece una rampa que se curva hacia arriba, que actúa como un puente a lo largo del cual las microgotas suben espontáneamente hacia yse fusionan con gotas de agua más grandes, un proceso que los investigadores denominan efecto de engrosamiento. Las propiedades de la superficie lubricada evitan que las gotas de agua se sumerjan por completo en el aceite, por lo que pueden flotar en el aceite, lo que les permite trepar.
"El menisco de aceite actúa como un puente, por lo que la gota puede trepar por él", dijo Dai. "La gota pequeña busca activamente una más grande. Una vez que están conectadas por el puente, se convierten en una".
A medida que las pequeñas gotas de agua se condensan del aire en una superficie enfriada, se convierten en barreras térmicas que evitan una mayor condensación. Al permitir la recolección rápida de gotas de agua, las gotas más gruesas ayudan a limpiar las superficies para que se formen nuevas gotas, lo que facilita un agua más rápida y eficiente.cosecha.
La gota de engrosamiento autopropulsada en SLIPS hidrófilos muestra una rápida eliminación de gotas condensadas de tamaño submicrométrico independientemente de cómo esté orientada la superficie, lo que presenta un enfoque prometedor en comparación con otras superficies utilizadas para la recolección de agua.
"No podemos recolectar una gran cantidad de agua a menos que tengamos un proceso de recolección rápido. El problema con otras superficies es que las pequeñas gotas de agua pueden evaporarse antes de que puedan recolectarse", dijo Dai.
"Según nuestros datos experimentales, la superficie engrosada mejoró la tasa de recolección de agua un 200% más que sus contrapartes", dijo Zongqi Guo, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica y coautor principal. Dai y sus colegas continúan trabajando en formas deutilizan su lubricante para fabricar sistemas de recolección de agua sostenibles que sean móviles, de menor tamaño, de menor peso y menos costosos.
"Si podemos hacer eso, podemos recolectar agua en cualquier lugar que tenga aire, lo cual es particularmente importante en regiones donde el agua es escasa", dijo Dai.
La investigación fue financiada por la National Science Foundation y la Army Research Office.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Dallas . Original escrito por Kim Horner. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :