Separación de flujo en SLIPS reentrantes hidrofílicos. (A) Esquema de separación de flujo. Las pequeñas gotas se mueven hacia los canales reentrantes debido al efecto de engrosamiento. Mientras tanto, las columnas de líquido dentro de cada canal reentrante se deslizan debido a la gravedad. Las flechas muestran la dirección de movimiento de las gotas más pequeñas. (B) imágenes de microscopio de la separación de flujo. Las flechas blancas muestran que las gotas más pequeñas se mueven hacia los canales de reentrada. Las gotas se eliminan de la superficie. (C) Esquema de condensación gota a gota con gota gruesa sobre una superficie plana resbaladiza. La pequeña gota trepa por el menisco de aceite y se fusiona con una más grande. (D) imágenes de microscopio de las gotitas de engrosamiento. Las flechas muestran la dirección de movimiento de las gotas más pequeñas. (E) Las relaciones de cobertura de superficies con separación de flujo y condensación gota a gota en estado estacionario. (F) Los pesos de recolección de agua de las superficies con separación de flujo y condensación gota a gota. Crédito:Zongqi Guo et al, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2022). DOI:10.1073/pnas.2209662119
La megasequía de este verano en el oeste de los EE. UU. y la falla de una planta de tratamiento de agua de Mississippi han demostrado la necesidad de formas alternativas de acceder al agua durante la escasez.
Una solución a la escasez de agua es recolectar agua del aire. El Dr. Xianming "Simon" Dai, profesor asistente de ingeniería mecánica en la Escuela de Ingeniería e Informática Erik Jonsson de la Universidad de Texas en Dallas, está trabajando en tecnología para hacer posible que cualquier persona tenga un dispositivo portátil asequible que pueda acceda al agua en cualquier lugar, en cualquier momento posiblemente sin utilizar energía externa.
Dai y su equipo de investigadores avanzaron recientemente en esa tecnología al desarrollar una plataforma novedosa para acelerar el proceso de cosecha. El equipo demostró la plataforma en un estudio publicado en línea el 29 de agosto en Proceedings of the National Academy of Sciences .
La plataforma resuelve un problema clave en la recolección de agua:las gotas de agua recolectadas forman una barrera térmica que evita una mayor condensación, por lo que deben eliminarse de la superficie lo más rápido posible para dejar espacio para más recolección.
El equipo de UTD abordó este problema desarrollando una plataforma con una forma única. Cortaron una serie de canales en forma de hongo, de un diámetro más pequeño que un cabello humano, en la superficie de recolección para que parte del material de la superficie sobresalga de cada canal. A medida que las gotas se acumulan en la superficie, se absorben en los canales, pero el diseño de hongo evita que el agua fluya de regreso a la superficie de recolección inicial. El agua recolectada se recolecta a través de esos canales.
La clave del éxito de la plataforma es una nueva superficie resbaladiza de separación de flujo construida sobre la base del trabajo anterior de Dai en 2018 para capturar agua de la niebla y el aire. Inspirada en las hojas de arroz y las plantas de jarra que pueden atrapar y dirigir las gotas de agua, la superficie porosa hidrofílica resbaladiza con infusión de líquido (SLIPS) tiene una propiedad única de absorción de agua que ayuda a dirigir las gotas de agua hacia los canales. Los canales también están revestidos con SLIPS, lo que ayuda a evitar que el líquido retrolave hacia la superficie de recolección inicial.
"La fuerza de tensión superficial mueve el líquido desde la superficie de recolección hacia el canal, lo cual es bueno para la recolección continua de agua", dijo Dai. "Los canales con forma de hongo son únicos porque bloquean el líquido en el interior".
La publicación marcó un gran logro para Zongqi Guo, Ph.D., primer autor del estudio, quien obtuvo su título en diciembre.
"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. 'Climbing droplets' could lead to more efficient water harvesting
