N+1 25 февраля 2016

Новый материал вчетверо ускорил сбор влаги из воздуха

Материаловеды из Гарварда предложили новый тип поверхностей, способных эффективно собирать влагу из воздуха. По словам авторов, вдохновителями материала стали представители царств животных и растений — кактусы, хищные растения (Nepenthes) и жуки из пустыни Намиб (Stenocara gracilipes). По сравнению с обычными гладкими поверхностями, процесс конденсации и стекания капель происходит по меньшей мере в четыре раза быстрее. Исследование опубликовано в журнале Nature, кратко о нем сообщает блог Королевского Химического Общества (Великобритания).
Основой для влагособирающего материала авторы выбрали поверхность надкрыльев жуков, обитающих в пустынях. Она покрыта выпуклостями, обеспечивающими направленную диффузию и конденсацию паров воды на их «вершинах». Ускорение конденсации связано с тем, что капля на вершине обладает большей площадью поверхности чем на плоскости, и, соответственно, быстрее может собирать частицы пара. Для того, чтобы оптимизировать сам процесс конденсации, ученые численно смоделировали явление в зависимости от формы выпуклостей. Оказалось, что лучшим вариантом является сечение в виде прямоугольника со скругленными вершинами — поток пара оказывается тем больше, чем меньше радиус кривизны.
Затем, следуя форме иголок кактуса ученые сделали выпуклости несимметричными. В природе иголки расширяются к основанию, что помогает ускорить движение капли. В этом процессе участвуют капиллярные силы. В результате у бугорков один из краев стал более крутым, а другой — более пологим и расширяющимся от вершины к основанию. Физики обнаружили экспериментально, что в такой системе капиллярные силы поначалу даже перевешивают действие гравитации и если ориентировать выпуклости пологим краем вверх, то капли смещаются против силы тяжести.
Для изготовления материала авторы впрессовали алюминиевый лист в форму, напечатанную на 3D-принтере. Дополнительно облегчить скольжение капель удалось благодаря дополнительной обработке поверхности и создания пористой микроструктуры: лист погружали в кипящую воду и обрабатывали специальным составом. Затем его обрабатывали минеральным маслом, впитывавшимся в поры и формировавшим гладкую равномерную пленку, аналогичную пленке, обеспечивающей гладкость кувшинов непентесов.
Ключевым параметром, который определялся в экспериментах, было время образования и стекания трех первых капель. Для гладкого обработанного листа алюминия оно превышало один час, бугристая же поверхность позволяла получить первые капли в течение первых 15 минут эксперимента.
В природе использованные учеными поверхности и формы позволяют растениям и насекомым получать влагу даже в засушливых областях, например, в пустынях. Непентесы же используют гладкость своей поверхности для того, чтобы не позволять насекомым выбраться из кувшинчика.
Это неполный текст новости
Комментарии
Читайте также
США приготовились к кибервойне с Россией
Airbus BelugaXL совершил первый полет
В России создадут ракету «Союз-5»
Разработана технология мгновенной зарядки для iPhone