L’eau présente dans l’air provient à la fois d’une évaporation naturelle et forcée, la condensation étant l’étape finale et cruciale de la récupération de l’eau. La condensation implique la nucléation, la croissance et l'excrétion de gouttelettes d'eau, qui sont ensuite collectées.
Cependant, la croissance incontrôlable de gouttelettes condensées conduisant à des inondations de surface constitue un défi urgent en raison de forces motrices insuffisantes, ce qui constitue une menace pour une condensation durable.
Une étude, dirigée par le professeur Jiuhui Qu, le Dr Qinghua Ji et le Dr Wei Zhang de l'Université Tsinghua, se concentre sur la lutte contre la pénurie d'eau en explorant la collecte de l'eau atmosphérique. Les travaux sont publiés dans la revue National Science Review .
Pour accélérer ce processus et parvenir à une élimination ordonnée et rapide des gouttelettes de la surface de condensation, l’équipe s’est inspirée de la nature. Ils ont observé que le diable épineux d'Australie répandait efficacement des gouttelettes, telles que la pluie, la rosée et l'eau d'un étang, de ses écailles aux canaux capillaires entre les écailles, pour finalement se connecter à sa bouche.
Ce mécanisme naturel rendait l’eau plus facile à stocker et à consommer. De plus, l’équipe s’est inspirée des poissons, en particulier du poisson-chat, qui possèdent une couche de mucus épidermique réduisant la traînée de nage et améliorant l’adaptabilité aux environnements aqueux. Ces connaissances issues de la nature répondent respectivement aux défis de la navigation ordonnée des gouttelettes et de l'élimination des gouttelettes à faible traînée.
L'équipe de recherche a utilisé des fibres d'hydrogel pour créer un motif technique sur le verre, intégrant les caractéristiques avantageuses des lézards et des poissons-chats.
La fibre d'hydrogel est un réseau interpénétré d'alginate de sodium et d'alcool polyvinylique avec une surface et une structure d'arc partiellement polymérisées. La surface, ornée de chaînes ramifiées –OH et –COOH, présente une forte affinité pour les molécules d'eau.
Cette affinité, associée à la structure en arc, fournit une force motrice suffisante pour que les gouttelettes se déplacent du substrat de condensation vers la fibre d'hydrogel. Simultanément, les chaînes ramifiées –OH et –COOH peuvent retenir les molécules d'eau même après que les gouttelettes ont quitté la surface, contribuant ainsi à la formation d'un film d'eau précurseur qui lubrifie le glissement des gouttelettes.
Pour observer le mouvement des gouttelettes, des molécules fluorescentes ont été utilisées comme sondes. Les trajectoires capturées ont révélé un taux de migration impressionnant, avec des gouttelettes formées sur le verre rapidement pompées vers la fibre d'hydrogel, régénérant ainsi les sites de condensation.
Le succès réside dans l’application simultanée de gradients de mouillage chimique et de différence de pression de Laplace à travers la fibre d’hydrogel et le verre. L’effet de pompage a entraîné une réduction de plus de 40 % de l’énergie du système de surface de condensation des gouttelettes, agissant comme source de force motrice. "Cela est similaire à la dispersion directionnelle de l'eau sur les téguments des lézards", note le professeur Qu.
Les chercheurs ont également observé des différences dans le mouvement de l’eau à la surface des fibres d’hydrogel par rapport à celui du verre. Sur le verre, les gouttelettes avançaient comme une unité cohésive avec la formation successive de nouveaux angles d'avancée, entraînant un mélange complet des sondes fluorescentes au sein de la gouttelette pendant l'avancement.
En revanche, les gouttelettes glissant sur la surface des fibres d’hydrogel présentaient un comportement en couches. La couche interne d'eau s'est collée à la surface de l'hydrogel, tandis que la couche externe a glissé sans contact direct avec la surface de l'hydrogel.
"Les chaînes qui pendent sur la surface de l'hydrogel agissent comme la couche de mucus du poisson-chat, lubrifiant la friction entre les gouttelettes et la surface de condensation", explique le Dr Ji.
Ce motif de fibres d'hydrogel technique a augmenté le taux de condensation de 85,9 % sans nécessiter d'apport d'énergie externe. De plus, il a été appliqué avec succès pour améliorer de 109 % le taux de collecte d'eau de purification de l'eau par évaporation solaire.
Cette étude fournit non seulement un aperçu des phénomènes naturels, mais marque également une nouvelle tentative de manipulation du mouvement des gouttelettes pour la condensation. Les résultats jettent les bases de futurs efforts de découverte de phénomènes et de traduction des théories en applications pratiques.
Plus d'informations : Wei Zhang et al, Pompage et glissement de gouttelettes dirigées par un modèle d'hydrogel pour la récupération de l'eau atmosphérique, National Science Review (2023). DOI : 10.1093/nsr/nwad334
Fourni par Science China Press
