El agua en el aire se origina tanto por evaporación natural como forzada, siendo la condensación el paso final y crucial en la recolección de agua. La condensación implica la nucleación, el crecimiento y el desprendimiento de gotas de agua, que luego se recogen.
Sin embargo, el crecimiento incontrolable de gotas condensadas que provocan inundaciones en la superficie es un desafío apremiante debido a la insuficiencia de fuerzas impulsoras, lo que representa una amenaza para la condensación sostenible.
Un estudio, dirigido por el Prof. Jiuhui Qu, el Dr. Qinghua Ji y el Dr. Wei Zhang de la Universidad de Tsinghua, se centra en abordar la escasez de agua explorando la recolección de agua atmosférica. El trabajo se publica en la revista National Science Review. .
Para acelerar este proceso y lograr una eliminación rápida y ordenada de las gotas desde la superficie de condensación, el equipo se inspiró en la naturaleza. Observaron que el diablo espinoso australiano esparcía eficientemente gotas, como lluvia, rocío y agua de estanque, desde sus escamas hasta los canales capilares entre las escamas, y finalmente conectándose con su boca.
Este mecanismo natural hizo que el agua fuera más fácil de almacenar y consumir. Además, el equipo se inspiró en los peces, en particular el bagre, que poseen una capa mucosa epidérmica que reduce la resistencia al nadar y mejora la adaptabilidad a ambientes acuosos. Estos conocimientos de la naturaleza abordan los desafíos de la navegación ordenada de las gotas y la caída de gotas con baja resistencia, respectivamente.
El equipo de investigación empleó fibras de hidrogel para crear un patrón diseñado sobre vidrio, incorporando las características ventajosas de los lagartos y los bagres.
La fibra de hidrogel es una red interpenetrada de alginato de sodio y alcohol polivinílico con una superficie y una estructura de arco parcialmente polimerizadas. La superficie, adornada con cadenas ramificadas –OH y –COOH, muestra una fuerte afinidad por las moléculas de agua.
Esta afinidad, junto con la estructura del arco, proporciona suficiente fuerza impulsora para que las gotas se muevan desde el sustrato de condensación hasta la fibra de hidrogel. Al mismo tiempo, las cadenas ramificadas –OH y –COOH pueden retener moléculas de agua incluso después de que las gotas abandonan la superficie, lo que ayuda a la formación de una película de agua precursora que lubrica el deslizamiento de las gotas.
Para observar el movimiento de las gotas, se utilizaron moléculas fluorescentes como sondas. Las trayectorias capturadas revelaron una tasa de migración impresionante, con gotas formadas en el vidrio bombeadas rápidamente a la fibra de hidrogel, regenerando así los sitios de condensación.
El éxito radica en la aplicación simultánea de gradientes de humectación química y la diferencia de presión de Laplace a través de la fibra de hidrogel y el vidrio. El efecto de bombeo resultó en una reducción de más del 40% en la energía del sistema de superficie de condensación de gotas, que actúa como fuente de fuerza motriz. "Esto es similar a la dispersión direccional del agua sobre los tegumentos de los lagartos", señala el profesor Qu.
Los investigadores también observaron diferencias en el movimiento del agua en la superficie de la fibra de hidrogel en comparación con el del vidrio. Sobre el vidrio, las gotas avanzaron como una unidad cohesiva con la formación sucesiva de nuevos ángulos de avance, lo que resultó en una mezcla completa de las sondas fluorescentes dentro de la gota durante el avance.
Por el contrario, las gotas que se deslizaban sobre la superficie de la fibra de hidrogel exhibieron un comportamiento en capas. La capa interna de agua se adhirió a la superficie del hidrogel, mientras que la capa externa se deslizó sin contacto directo con la superficie del hidrogel.
"Las cadenas que cuelgan sobre la superficie del hidrogel actúan como la capa mucosa del bagre, lubricando la fricción entre las gotas y la superficie de condensación", explica el Dr. Ji.
Este patrón de fibra de hidrogel diseñado aumentó la tasa de condensación en un 85,9% sin requerir entrada de energía externa. Además, se aplicó con éxito para mejorar la tasa de recolección de agua de la purificación de agua por evaporación solar en un 109 %.
Este estudio no sólo proporciona información sobre los fenómenos naturales, sino que también marca un intento novedoso de manipular el movimiento de las gotas para generar condensación. Los hallazgos sientan las bases para futuros esfuerzos por descubrir fenómenos y traducir teorías en aplicaciones prácticas.
Más información: Wei Zhang et al, Bombeo y deslizamiento de gotas dirigidas por un patrón de hidrogel para la recolección de agua atmosférica, National Science Review (2023). DOI:10.1093/nsr/nwad334
Proporcionado por Science China Press
