Dottor Xianming Dai, assistente professore di ingegneria meccanica presso la Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science, e il suo team di ricerca hanno lavorato per sviluppare una tecnologia che raccolga acqua pulita dall'aria senza utilizzare energia esterna. Credito:Università del Texas a Dallas
I ricercatori dell'Università del Texas a Dallas hanno scoperto che una nuova superficie sviluppata per raccogliere l'acqua dall'aria incoraggia le minuscole goccioline d'acqua a muoversi spontaneamente in goccioline più grandi.
Quando i ricercatori hanno posizionato microgoccioline d'acqua sulla superficie del lubrificante liquido, le microgoccioline si spingevano a salire, senza forza esterna, in goccioline più grandi lungo un oleoso, menisco a forma di rampa che si forma dal lubrificante attorno alle goccioline più grandi. Il "fenomeno delle goccioline grossolane" ha formato goccioline abbastanza grandi per la raccolta.
"Questo effetto di arrampicata mediato dal menisco ha consentito una rapida coalescenza su superfici idrofile e non è stato segnalato prima. Abbiamo scoperto un nuovo fenomeno fisico che rende possibile raccogliere l'acqua più rapidamente dall'aria senza forza esterna, " ha detto il dottor Xianming Dai, assistente professore di ingegneria meccanica presso la Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science, che ha condotto i lavori. "Se non abbiamo questo nuovo fenomeno, le goccioline sarebbero troppo piccole, e difficilmente potremmo raccoglierli."
Microgoccioline d'acqua su una superficie SLIPS idrofila (a sinistra) si spingono a salire, senza forza esterna, in goccioline più grandi lungo un oleoso, menisco a forma di rampa che si forma dal lubrificante attorno alle goccioline più grandi. Sulla destra, il videoclip mostra come si comportano le microgoccioline su una superficie solida e scivolosa.
Le scoperte, pubblicato il 25 marzo in Cell Report Scienze fisiche , potrebbe risolvere problemi chiave nella raccolta dell'acqua dall'aria. Molte goccioline che si condensano dal vapore acqueo nell'aria sono troppo piccole per essere raccolte, e possono coprire una superficie in modo da impedire un'ulteriore condensazione.
Lo sviluppo di nuove tecnologie che raccolgano l'acqua dall'atmosfera è un campo di ricerca in crescita poiché sempre più persone vivono in aree in cui l'acqua dolce scarseggia. Gli scienziati stimano che 4 miliardi di persone vivano in regioni con gravi carenze di acqua dolce per almeno un mese all'anno. Si prevede che questo numero aumenterà tra 4,8 miliardi e 5,7 miliardi entro il 2050. Le ragioni includono il cambiamento climatico, forniture idriche inquinate e aumento della domanda a causa sia della crescita della popolazione che dei cambiamenti nel comportamento di utilizzo.
La chiave dell'azione di auto-arrampicata della microgoccia è una superficie che Dai e i suoi colleghi hanno precedentemente sviluppato. Il loro liquido lubrificante, una superficie porosa infusa di liquido sdrucciolevole idrofila (SLIPS), ha una natura idrofila unica per la raccolta dell'acqua e dirige rapidamente le goccioline d'acqua nei serbatoi.
I ricercatori hanno scoperto per caso il fenomeno delle goccioline automotrici sulla loro superficie. Stavano testando diversi lubrificanti per determinare quale potesse facilitare al meglio la raccolta dell'acqua quando hanno visto le gocce d'acqua più piccole spingersi in goccioline più grandi. Ciò li ha portati a collaborare con il dottor Howard A. Stone, cattedra di ingegneria meccanica e aerospaziale alla Princeton University ed esperto di fluidodinamica, indagare la fisica alla base del fenomeno.
"Il Dr. Dai e il suo team hanno condotto questo lavoro. Le idee sono creative, e hanno fatto una serie di osservazioni in laboratorio che hanno permesso loro di comprendere la fisica sottostante e le sue potenziali applicazioni, "Stone ha detto. "Mi hanno contattato per discutere il meccanismo, e abbiamo avuto diverse riunioni Skype o Zoom e scambi di e-mail. È stato tutto molto interessante e stimolante. Mi è piaciuto molto vedere le idee evolvere nel documento pubblicato".
Quando il vapore acqueo si condensa sulla superficie del liquido lubrificante, l'olio del lubrificante forma un menisco, o curvatura, intorno alle goccioline. Il menisco sembra una rampa curva verso l'alto, che agisce come un ponte lungo il quale le microgoccioline salgono spontaneamente verso e si fondono con le gocce d'acqua più grandi, un processo che i ricercatori chiamano effetto ingrossamento. Le proprietà della superficie lubrificata impediscono che le gocce d'acqua vengano completamente immerse nell'olio, in modo che possano galleggiare sull'olio, permettendo loro di salire.
"Il menisco dell'olio agisce come un ponte, così la goccia può arrampicarsi su di essa, "Dai ha detto. "La piccola goccia cerca attivamente una più grande. Dopo che sono stati collegati dal ponte, diventano una cosa sola".
Quando minuscole goccioline d'acqua si condensano dall'aria su una superficie raffreddata, diventano barriere termiche che impediscono l'ulteriore condensazione. Consentendo una rapida raccolta delle gocce d'acqua, le goccioline grossolane aiutano a pulire le superfici per la formazione di nuove goccioline, che facilita più velocemente, raccolta dell'acqua più efficiente.
La gocciolina semovente grossolana su SLIPS idrofili mostra una rapida rimozione di goccioline condensate di dimensioni submicrometriche indipendentemente da come è orientata la superficie, che presenta un approccio promettente rispetto ad altre superfici utilizzate per la raccolta dell'acqua.
"Non possiamo raccogliere una grande quantità di acqua se non abbiamo un processo di raccolta rapido. Il problema con altre superfici è che le piccole gocce d'acqua possono evaporare prima di poter essere raccolte, "Dì disse.
"Sulla base dei nostri dati sperimentali, la superficie grossolana ha migliorato il tasso di raccolta dell'acqua del 200% in più rispetto alle sue controparti, " disse Zongqi Guo, uno studente di dottorato in ingegneria meccanica e co-autore principale.Dai e i suoi colleghi continuano a lavorare su come utilizzare il loro lubrificante per realizzare sistemi di raccolta dell'acqua sostenibili che siano mobili, di dimensioni più piccole, meno pesante e meno costoso.
"Se possiamo farlo, possiamo raccogliere acqua ovunque ci sia aria, che è particolarmente importante nelle regioni in cui l'acqua è scarsa, "Dì disse.