L'acqua nell'aria ha origine sia dall'evaporazione naturale che da quella forzata, dove la condensazione è il passaggio finale e cruciale nella raccolta dell'acqua. La condensazione comporta la nucleazione, la crescita e lo spargimento di goccioline d'acqua, che vengono poi raccolte.
Tuttavia, la crescita incontrollabile di goccioline condensate che portano a inondazioni superficiali è una sfida urgente a causa di forze motrici insufficienti, che rappresentano una minaccia per la condensazione sostenibile.
Uno studio, condotto dal Prof. Jiuhui Qu, dal Dr. Qinghua Ji e dal Dr. Wei Zhang dell’Università di Tsinghua, si concentra sull’affrontare la scarsità d’acqua esplorando la raccolta dell’acqua atmosferica. Il lavoro è pubblicato sulla rivista National Science Review .
Per accelerare questo processo e ottenere un rilascio rapido e ordinato delle goccioline dalla superficie di condensazione, il team si è ispirato alla natura. Hanno osservato che il diavolo spinoso australiano diffonde in modo efficiente goccioline, come pioggia, rugiada e acqua di stagno, dalle sue squame ai canali capillari tra le squame, collegandosi infine alla sua bocca.
Questo meccanismo naturale ha reso l’acqua più facile da immagazzinare e consumare. Inoltre, il team ha tratto ispirazione dai pesci, in particolare dal pesce gatto, che possiedono uno strato di muco epidermico che riduce la resistenza del nuoto e migliora l'adattabilità agli ambienti acquatici. Queste informazioni provenienti dalla natura affrontano rispettivamente le sfide della navigazione ordinata delle goccioline e della dispersione delle goccioline a bassa resistenza.
Il team di ricerca ha utilizzato fibre di idrogel per creare un motivo ingegnerizzato sul vetro, incorporando le caratteristiche vantaggiose sia delle lucertole che dei pesci gatto.
La fibra idrogel è una rete compenetrata di alginato di sodio e alcol polivinilico con una superficie parzialmente polimerizzata e una struttura ad arco. La superficie, ornata da catene ramificate –OH e –COOH, mostra una forte affinità per le molecole d'acqua.
Questa affinità, unita alla struttura ad arco, fornisce una forza motrice sufficiente affinché le goccioline si spostino dal substrato di condensazione alla fibra dell'idrogel. Allo stesso tempo, le catene ramificate –OH e –COOH possono trattenere le molecole d'acqua anche dopo che le goccioline lasciano la superficie, favorendo la formazione di un film d'acqua precursore che lubrifica lo scorrimento delle goccioline.
Per osservare il movimento delle goccioline, sono state utilizzate molecole fluorescenti come sonde. Le traiettorie catturate hanno rivelato un tasso di migrazione impressionante, con le goccioline formate sul vetro rapidamente pompate nella fibra dell'idrogel, rigenerando così i siti di condensazione.
Il successo risiede nell'applicazione simultanea di gradienti di bagnatura chimica e della differenza di pressione di Laplace attraverso la fibra di idrogel e il vetro. L'effetto di pompaggio ha comportato una riduzione di oltre il 40% dell'energia del sistema superficiale di condensazione delle gocce, che funge da fonte di forza motrice. "Questo è simile alla dispersione direzionale dell'acqua sui tegumenti delle lucertole", osserva il professor Qu.
I ricercatori hanno anche osservato delle differenze nel movimento dell’acqua sulla superficie della fibra di idrogel rispetto a quello sul vetro. Sul vetro, le goccioline avanzavano come un'unità coesa con successiva formazione di nuovi angoli di avanzamento, con conseguente miscelazione completa delle sonde fluorescenti all'interno della gocciolina durante l'avanzamento.
Al contrario, lo scorrimento delle goccioline sulla superficie della fibra idrogel ha mostrato un comportamento a strati. Lo strato interno di acqua si legava alla superficie dell'idrogel, mentre lo strato esterno scivolava senza contatto diretto con la superficie dell'idrogel.
"Le catene pendenti sulla superficie dell'idrogel agiscono come lo strato di muco del pesce gatto, lubrificando l'attrito tra le goccioline e la superficie di condensazione", spiega il dottor Ji.
Questo modello di fibra idrogel ingegnerizzato ha aumentato il tasso di condensazione dell'85,9% senza richiedere input di energia esterna. Inoltre, è stato applicato con successo per aumentare del 109% il tasso di raccolta dell'acqua derivante dalla purificazione mediante evaporazione solare.
Questo studio non solo fornisce approfondimenti sui fenomeni naturali, ma segna anche un nuovo tentativo di manipolare il movimento delle goccioline per la condensazione. I risultati gettano le basi per gli sforzi futuri volti a scoprire fenomeni e tradurre le teorie in applicazioni pratiche.
Ulteriori informazioni: Wei Zhang et al, Pompaggio e scorrimento di goccioline guidate da un modello di idrogel per la raccolta dell'acqua atmosferica, National Science Review (2023). DOI:10.1093/nsr/nwad334
Fornito da Science China Press
