Inspiriert von einem Wüstenkäfer, einem Kaktus und einer Kannenpflanze entwerfen die Forscher ein neues Material, um Wassertropfen zu sammeln

Anonim

Organismen wie Kakteen und Wüstenkäfer können in ariden Umgebungen überleben, weil sie Mechanismen entwickelt haben, um Wasser aus dünner Luft zu sammeln. Der Wüstenkäfer der Namib sammelt zum Beispiel Wassertropfen auf den Unebenheiten seiner Schale, während V-förmige Kaktusdornen Tröpfchen zum Pflanzenkörper leiten.

Während der Planet trockener wird, suchen Forscher nach der Natur für effektivere Wege, Wasser aus der Luft zu ziehen. Ein Team von Forschern der Harvard John A. Paulson Schule für Technik und angewandte Naturwissenschaften (SEAS) und dem Wyss Institut für biologisch inspiriertes Ingenieurwesen der Harvard Universität hat sich von diesen Organismen inspirieren lassen, um kondensierte Wasser besser zu fördern und zu transportieren Tröpfchen.

"Alle sind begeistert von der Forschung mit bioinspirierten Materialien", sagte Joanna Aizenberg, die Amy Smith Berylson Professorin für Materialwissenschaften an der SEAS und zentrale Fakultät des Wyss Institute. "Bisher haben wir jedoch die Tendenz, ein inspirierendes natürliches System zu simulieren. Unsere Forschung zeigt, dass ein komplexer bio-inspirierter Ansatz, bei dem wir mehrere biologische Spezies miteinander verbinden, mit nicht-trivialen Designs für hocheffiziente Materialien beispiellos ist Eigenschaften, ist eine neue, vielversprechende Richtung in der Bionik. "

Das neue System, das in Nature beschrieben wird, ist inspiriert von der holperigen Schale von Wüstenkäfern, der asymmetrischen Struktur von Kaktusdornen und den rutschigen Oberflächen von Kannenpflanzen. Das Material nutzt die Kraft dieser natürlichen Systeme sowie die in Aizenbergs Labor entwickelte Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces-Technologie (SLIPS), um den Fluss kondensierter Wassertröpfchen zu sammeln und zu steuern.

Dieser Ansatz ist nicht nur für die Wassergewinnung, sondern auch für industrielle Wärmeübertrager vielversprechend.

"Wärmekraftwerke zum Beispiel sind auf Kondensatoren angewiesen, um Dampf schnell in flüssiges Wasser umzuwandeln", sagte Philseok Kim, Co-Autor des Papiers und Mitbegründer und Vizepräsident für Technologie bei der SEAS-Ausgründung SLIPS Technologies, Inc. " Diese Konstruktion könnte dazu beitragen, diesen Prozess zu beschleunigen und sogar einen Betrieb bei höheren Temperaturen zu ermöglichen, wodurch die Gesamtenergieeffizienz erheblich verbessert wird. "

Die größten Herausforderungen beim Ernten von atmosphärischem Wasser bestehen darin, die Größe der Tröpfchen, die Geschwindigkeit, in der sie sich bilden, und die Richtung, in der sie fließen, zu kontrollieren.

Jahrelang konzentrierten sich die Forscher auf die Hybridchemie der Käferhügel - ein hydrophiles Top mit hydrophober Umgebung - um zu erklären, wie der Käfer Wasser anzog. Aizenberg und ihr Team haben sich jedoch von einer anderen Möglichkeit inspirieren lassen - dass konvexe Höcker selbst Wasser ernten könnten.

"Wir haben experimentell herausgefunden, dass die Geometrie von Unebenheiten allein die Kondensation erleichtern kann", sagte Kyoo-Chul Park, Postdoktorand und erster Autor der Studie. "Durch die Optimierung dieser Bumpform durch detaillierte theoretische Modellierung und die Kombination mit der Asymmetrie der Kaktusdornen und den nahezu reibungsfreien Beschichtungen von Kannenpflanzen konnten wir ein Material entwickeln, das eine größere Wassermenge in kurzer Zeit sammeln und transportieren kann Zeit im Vergleich zu anderen Oberflächen. "

"Ohne einen dieser Parameter würde das gesamte System nicht synergistisch arbeiten, um sowohl das Wachstum als auch den beschleunigten direktionalen Transport selbst kleiner, schnell kondensierender Tröpfchen zu fördern", sagte Park.

"Diese Forschung ist ein spannender erster Schritt zur Entwicklung eines passiven Systems, das Wasser effizient sammeln und in ein Reservoir leiten kann", sagte Kim.

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