Новий матеріал вчетверо прискорив збирання вологи з повітря

Матеріалознавці з Гарварду запропонували новий тип поверхонь, спроможних ефективно збирати вологу з повітря. За словам авторів, натхненниками матеріалу стали представники царств тварин і рослин — кактуси, хижі рослини (Nepenthes) та жуки пустелі Наміб (Stenocara gracilipes). У порівнянні зі звичайними гладкими поверхнями, процес конденсації та стікання крапель відбувається принаймні в чотири рази швидше. Дослідження опубліковано в журналі «Nature», коротко про нього повідомляє блог Королівського Хімічного Товариства (Велика Британія).

Конденсація крапель вологи на алюмінієвій поверхні. Зображення: Kyoo-Chul Park et al. / Nature, 2016

Основою для матеріалу, що збирає вологу, автори обрали поверхню надкрил жуків, які водяться в пустелях. Вона покрита випуклостями, що забезпечує направлену дифузію та конденсацію парів води на їх «вершинах». Прискорення конденсації пов’язано з тим, що крапля на вершині має більшу площу поверхні ніж на площині, і, відповідно, скоріше може збирати часточки пару. Для того, щоб оптимізувати сам процес конденсації, учені кількісно змоделювали явище в залежності від форми випуклостей. Виявилось, що кращим варіантом є переріз у вигляді прямокутника зі закругленими вершинами — потік пару буде тим більшим, чим меншим радіус кривизни.

Потім, слідуючи формі голок кактуса учені зробили випуклості несиметричними. В природі голки розширюються до основи, що допомагає прискорити рух краплі. В цьому процесі беруть участь капілярні сили. В результаті у бугорків один з країв став більш крутим, а інший — більш пологим та розширюється від вершини до основи. Фізики виявили експериментально, що в такій системі капілярні сили спочатку навіть перевершують дію гравітації і, якщо орієнтувати випуклості пологим краєм догори, то краплі зміщуються проти сили тяжіння.

Для виготовлення матеріалу автори запресували алюмінієвий лист в форму, надруковану на 3D-принтері. Додатково полегшити ковзання крапель удалось завдяки додатковій обробці поверхні та створенню пористої мікроструктури: лист занурювали в киплячу воду та обробляли спеціальним складом. Потім його обробляли мінеральним маслом, що всмоктується в пори та формує гладку рівномірну плівку, аналогічну плівці, що забезпечує гладкість «глечиків» непентесів.

[media:video width=620px height=444px src=//www.youtube.com/embed/GKGME0N_vNE]

Ключовим параметром, який визначався в експериментах, був час утворення та стікання трьох перших крапель. Для гладкого обробленого листа алюмінію воно перевищувало один час, бугриста ж поверхня дозволяла отримати перші краплі впродовж перших 15 хвилин експерименту.

В природі використані ученими поверхні та форми дозволяють рослинам і комахам отримати вологу навіть в засушливих областях, наприклад, в пустелях. Непентеси ж застосовують гладкість своєї поверхні для того, щоб не дозволять комахам вибратися з «глечика».