A água no ar provém da evaporação natural e forçada, sendo a condensação a etapa final e crucial na captação de água. A condensação envolve nucleação, crescimento e liberação de gotículas de água, que são então coletadas.



No entanto, o crescimento incontrolável de gotículas condensadas que conduzem a inundações superficiais é um desafio premente devido à insuficiência de forças motrizes, representando uma ameaça à condensação sustentável.

Um estudo, liderado pelo Prof. Jiuhui Qu, Dr. Wei Zhang da Universidade de Tsinghua, concentra-se em abordar a escassez de água explorando a coleta de água atmosférica. O trabalho foi publicado na revista National Science Review .

Para agilizar esse processo e obter um derramamento rápido e ordenado de gotas da superfície de condensação, a equipe se inspirou na natureza. Eles observaram que o diabo-espinhoso australiano espalhava com eficiência gotículas, como chuva, orvalho e água do lago, de suas escamas para canais capilares entre as escamas, eventualmente conectando-se à sua boca.

Esse mecanismo natural tornou a água mais fácil de armazenar e consumir. Além disso, a equipe inspirou-se nos peixes, principalmente no bagre, que possuem uma camada de muco epidérmico que reduz o arrasto natatório e aumenta a adaptabilidade a ambientes aquosos. Esses insights da natureza abordam os desafios da navegação ordenada de gotículas e do derramamento de gotículas com baixo arrasto, respectivamente.

A equipe de pesquisa empregou fibras de hidrogel para criar um padrão de engenharia no vidro, incorporando as características vantajosas de lagartos e bagres.

A fibra de hidrogel é uma rede interpenetrada de alginato de sódio e álcool polivinílico com superfície parcialmente polimerizada e estrutura em arco. A superfície, adornada com cadeias ramificadas –OH e –COOH, exibe uma forte afinidade por moléculas de água.

Essa afinidade, acoplada à estrutura em arco, fornece força motriz suficiente para que as gotículas se movam do substrato de condensação para a fibra de hidrogel. Simultaneamente, as cadeias ramificadas –OH e –COOH podem reter moléculas de água mesmo depois que as gotículas deixam a superfície, auxiliando na formação de uma película precursora de água que lubrifica o deslizamento das gotículas.

Para observar o movimento das gotículas, moléculas fluorescentes foram utilizadas como sondas. As trajetórias capturadas revelaram uma taxa de migração impressionante, com gotículas formadas no vidro bombeadas rapidamente para a fibra de hidrogel, regenerando assim os locais de condensação.

O sucesso reside na aplicação simultânea de gradientes de umedecimento químicos e na diferença de pressão de Laplace através da fibra de hidrogel e do vidro. O efeito de bombeamento resultou em uma redução de mais de 40% na energia do sistema de superfície de condensação de gotas, atuando como fonte de força motriz. “Isso é semelhante à dispersão direcional da água sobre os tegumentos dos lagartos”, observa o professor Qu.

Os pesquisadores também observaram distinções no movimento da água na superfície da fibra do hidrogel em comparação com o movimento do vidro. No vidro, as gotículas avançaram como uma unidade coesiva com formação sucessiva de novos ângulos de avanço, resultando na mistura completa das sondas fluorescentes dentro da gotícula durante o avanço.

Em contraste, o deslizamento das gotas na superfície da fibra de hidrogel exibiu um comportamento em camadas. A camada interna de água aderiu à superfície do hidrogel, enquanto a camada externa deslizou sem contato direto com a superfície do hidrogel.

“As correntes penduradas sobre a superfície do hidrogel agem como a camada de muco do bagre, lubrificando o atrito entre as gotículas e a superfície de condensação”, explica o Dr.

Este padrão de fibra de hidrogel projetado aumentou a taxa de condensação em 85,9% sem exigir entrada de energia externa. Além disso, foi aplicado com sucesso para aumentar a taxa de coleta de água da purificação de água por evaporação solar em 109%.

Este estudo não apenas fornece insights sobre fenômenos naturais, mas também marca uma nova tentativa de manipular o movimento das gotículas para condensação. As descobertas estabelecem as bases para esforços futuros na descoberta de fenômenos e na tradução de teorias em aplicações práticas.

Mais informações: Wei Zhang et al, Bombeamento e deslizamento de gotículas dirigidas por um padrão de hidrogel para coleta de água atmosférica, National Science Review (2023). DOI:10.1093/nsr/nwad334
Fornecido pela Science China Press