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 su superficie de lubricante líquido, las microgotas se impulsaron a trepar, sin fuerza externa, en gotas más grandes a lo largo de un aceite, menisco en forma de rampa que se forma a partir del lubricante alrededor de las gotas más grandes. El "fenómeno de las gotas que se hacen más gruesas" formó gotas lo suficientemente grandes para ser recolectadas.

"Este efecto trepador mediado por el menisco permitió una rápida coalescencia en superficies hidrófilas y no se había informado antes. Hemos descubierto un nuevo fenómeno físico que hace posible recolectar agua más rápidamente del aire 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 pudimos recogerlos ".

Microgotas de agua en una superficie SLIPS hidrófila (izquierda) se impulsan a trepar, sin fuerza externa, en gotas más grandes a lo largo de un aceite, menisco en forma de rampa que se forma a partir del lubricante alrededor de las gotas más grandes. A la derecha, el videoclip muestra cómo se comportan las microgotas en una superficie sólida y resbaladiza.

Los resultados, publicado el 25 de marzo en Informes celulares Ciencias físicas , podría resolver problemas clave en la recolección de agua del aire. Muchas gotas que se condensan a partir del vapor de agua en el aire son demasiado pequeñas para ser recolectadas. y pueden cubrir una superficie de manera que impida 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 el agua dulce es escasa. Los científicos estiman que 4 mil millones de personas viven en regiones con grave escasez de agua dulce durante al menos un mes al año. Se prevé que este número aumente a entre 4,8 mil millones y 5,7 mil millones para 2050. Las razones incluyen el cambio climático, suministro de agua contaminada y aumento de la demanda debido tanto al crecimiento de la población como a los cambios en el comportamiento de uso.

La clave de la acción auto-trepadora de la microgotita es una superficie que Dai y sus colegas desarrollaron previamente. Su lubricante líquido, una superficie porosa hidrófila resbaladiza con infusión de líquido (SLIPS), tiene una naturaleza hidrófila única para la recolección de agua y dirige rápidamente las gotas de agua hacia los depósitos.

Los investigadores descubrieron el fenómeno de las gotas autopropulsadas en su superficie por accidente. 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, catedrático de ingeniería mecánica y aeroespacial en 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 posibles aplicaciones, "Dijo Stone." Se acercaron a mí 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 viendo la evolución de las ideas 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 y se fusionan con gotas de agua más grandes, un proceso que los investigadores llaman efecto de engrosamiento. Las propiedades de la superficie lubricada evitan que las gotas de agua queden completamente sumergidas en el aceite, para que floten en el aceite, permitiéndoles trepar.

"El menisco de aceite actúa como un puente, para que la gota pueda trepar por él, "Dijo Dai." La pequeña gota busca activamente una más grande. Después de que estén conectados por el puente, se vuelven uno ".

A medida que 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 más rápido, recolección de agua más eficiente.

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. 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 alta que sus contrapartes, "dijo Zongqi Guo, un estudiante de doctorado en ingeniería mecánica y coautor principal. Dai y sus colegas continúan trabajando en formas de usar su lubricante para hacer sistemas de recolección de agua sostenibles que sean móviles, más pequeño en tamaño, de menor peso y menos costoso.

"Si podemos hacer eso, podemos recolectar agua en cualquier lugar que tenga aire, que es particularmente importante en regiones donde el agua es escasa, "Dijo Dai.