Separazione del flusso su SLIPS rientranti idrofili. (A) Schema di separazione del flusso. Le piccole goccioline si spostano nei canali rientranti a causa dell'effetto grossolano. Nel frattempo, le colonne di liquido all'interno di ciascun canale rientrante scivolano per gravità. Le frecce mostrano la direzione di movimento delle goccioline più piccole. (B) Immagini al microscopio della separazione del flusso. Le frecce bianche mostrano che le goccioline più piccole si muovono verso i canali rientranti. Le goccioline vengono rimosse dalla superficie. (C) Schema di condensazione goccia a goccia con gocciolina grossolana su una superficie piana scivolosa. La piccola gocciolina si arrampica sul menisco dell'olio e si fonde con una più grande. (D) Immagini al microscopio delle goccioline grossolane. Le frecce mostrano la direzione di movimento delle goccioline più piccole. (E) I rapporti di copertura delle superfici con separazione del flusso e condensazione goccia a goccia allo stato stazionario. (F) I pesi di raccolta dell'acqua dalle superfici con separazione del flusso e condensazione a gocce. Credito:Zongqi Guo et al, Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze (2022). DOI:10.1073/pnas.2209662119
La mega siccità di quest'estate negli Stati Uniti occidentali e il fallimento di un impianto di trattamento delle acque del Mississippi hanno dimostrato la necessità di modi alternativi per accedere all'acqua durante le carenze.
Una soluzione alla scarsità d'acqua è la raccolta dell'acqua dall'aria. Il dottor Xianming "Simon" Dai, assistente professore di ingegneria meccanica presso la Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science presso l'Università del Texas a Dallas, sta lavorando sulla tecnologia per consentire a chiunque di avere un dispositivo portatile conveniente che potrebbe accedere all'acqua ovunque, in qualsiasi momento, possibilmente senza energia esterna.
Dai e il suo team di ricercatori hanno recentemente avanzato questa tecnologia sviluppando una nuova piattaforma per accelerare il processo di raccolta. Il team ha dimostrato la piattaforma in uno studio pubblicato online il 29 agosto in Proceedings of the National Academy of Sciences .
La piattaforma risolve un problema chiave nella raccolta dell'acqua:le goccioline d'acqua raccolte formano una barriera termica che impedisce l'ulteriore condensazione, quindi devono essere rimosse dalla superficie il più rapidamente possibile per fare spazio a una maggiore raccolta.
Il team UTD ha affrontato questo problema sviluppando una piattaforma con una forma unica. Hanno tagliato una serie di canali simili a funghi, di diametro inferiore a un capello umano, nella superficie di raccolta in modo che parte del materiale della superficie sporga su ciascun canale. Quando le goccioline si raccolgono in superficie, vengono assorbite nei canali, ma il design a fungo impedisce all'acqua di rifluire sulla superficie di raccolta iniziale. L'acqua raccolta viene raccolta attraverso quei canali.
La chiave del successo della piattaforma è una nuova superficie scivolosa di separazione del flusso costruita sulla base del lavoro precedente di Dai nel 2018 per catturare l'acqua dalla nebbia e dall'aria. Ispirata alle foglie di riso e alle piante di brocca che possono intrappolare e dirigere le goccioline d'acqua, la superficie porosa idrofila infusa di liquido (SLIPS) ha una proprietà di assorbimento dell'acqua unica che aiuta a dirigere le goccioline d'acqua nei canali. I canali sono inoltre rivestiti con SLIPS, che aiuta a evitare il controlavaggio del liquido sulla superficie di raccolta iniziale.
"La forza di tensione superficiale sposta il liquido dalla superficie di raccolta nel canale, il che è utile per la raccolta continua dell'acqua", ha affermato Dai. "I canali a forma di fungo sono unici perché bloccano il liquido all'interno."
La pubblicazione ha segnato un importante risultato per Zongqi Guo, Ph.D., primo autore dello studio, che ha conseguito la laurea a dicembre.
"This work is a summary of my Ph.D. research. We combined microfluidics, microfabrication and surface chemistry to unveil the new fundamentals for water sustainability, which is flow separation," said Guo, now a postdoctoral fellow at the University of Minnesota.
The technology has a variety of applications, including military uses. "Soldiers need to be able to drink water wherever they are," Dai said. "This requires a decentralized water harvesting technology."
Because the technology removes moisture from air, it also could be useful in food processing and other environments that require humidity control, he said. Dai's team continues to improve the technology and work toward making broader impacts.
Dr. Joshua Summers, professor and department head of mechanical engineering, said Dai's research addresses the importance of improving the welfare of all people.
"Hopefully, this publication can help stimulate the scientific discovery and engineering of solutions that can be widely deployed where moisture should be harvested," Summers said. "As a huge 'Star Wars' fan, I am excited to see that we are moving closer to the 'moisture farms' of Luke's youth."
Co-authors of the study include Dylan Boylan, mechanical engineering graduate student, and Dr. Li Shan, mechanical engineering research associate. + Esplora ulteriormente
