Новий матеріал вчетверо прискорив збір вологи з повітря

Матеріалознавці з Гарварду запропонували новий тип поверхонь, здатних ефективно збирати вологу з повітря. За словами авторів, натхненниками матеріалу стали представники царств тварин і рослин - кактуси, хижі рослини (і жуки з пустелі Наміб (). У порівнянні зі звичайними гладкими поверхнями, процес конденсації і стікання крапель відбувається щонайменше в чотири рази швидше. Дослідження опубліковано в журналі коротко про нього повідомляє блог Королівського Хімічного Товариства (Великобританія).

Основою для вологолюбного матеріалу автори вибрали поверхню надкрилів жуків, що мешкають у пустелях. Вона покрита випуклостями, що забезпечують спрямовану дифузію і конденсацію парів води на їх «вершинах». Прискорення конденсації пов'язане з тим, що крапля на вершині володіє більшою площею поверхні ніж на площині, і, відповідно, швидше може збирати частинки пари. Для того, щоб оптимізувати сам процес конденсації, вчені чисельно змоделювали явище залежно від форми випуклостей. Виявилося, що кращим варіантом є переріз у вигляді прямокутника зі скругленими вершинами - потік пара виявляється тим більше, чим менше радіус кривизни.

Потім, дотримуючись форми голок кактуса вчені зробили випуклості несиметричними. У природі голки розширюються до основи, що допомагає прискорити рух краплі. У цьому процесі беруть участь капілярні сили. В результаті біля бугорків один з країв став більш крутим, а інший - більш пологим і розширюється від вершини до основи. Фізики виявили експериментально, що в такій системі капілярні сили спочатку навіть переважують дію гравітації і якщо орієнтувати випуклості пологим краєм вгору, то краплі зміщуються проти сили тяжкості.

Для виготовлення матеріалу автори впресували алюмінієвий лист у форму, надруковану на 3D-принтері. Додатково полегшити ковзання крапель вдалося завдяки додатковій обробці поверхні і створення пористої мікроструктури: лист занурювали в киплячу воду і обробляли спеціальним складом. Потім його обробляли мінеральною олією, що вбиралася в пори і формувала гладку рівномірну плівку, аналогічну плівці, що забезпечує гладкість глечиків непентесів.

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

У природі використані вченими поверхні і форми дозволяють рослинам і комахам отримувати вологу навіть у посушливих областях, наприклад, у пустелях. Непентеси ж використовують гладкість своєї поверхні для того, щоб не дозволяти комахам вибратися з глечика.