Séparation de flux sur SLIPS réentrants hydrophiles. (A) Schéma de la séparation des flux. Les petites gouttelettes se déplacent dans les canaux réentrants en raison de l'effet de grossissement. Pendant ce temps, les colonnes de liquide à l'intérieur de chaque canal réentrant glissent en raison de la gravité. Les flèches indiquent la direction de déplacement des gouttelettes plus petites. (B) Images au microscope de la séparation des flux. Les flèches blanches montrent que les gouttelettes plus petites se déplacent vers les canaux réentrants. Les gouttelettes sont retirées de la surface. (C) Schéma de condensation goutte à goutte avec gouttelettes grossissantes sur une surface plane glissante. La petite gouttelette grimpe sur le ménisque d'huile et fusionne avec une plus grosse. (D) Images au microscope des gouttelettes grossissantes. Les flèches indiquent la direction de déplacement des gouttelettes plus petites. (E) Les taux de couverture des surfaces avec séparation de flux et condensation goutte à goutte à l'état stable. (F) Les poids de collecte d'eau des surfaces avec séparation des flux et condensation goutte à goutte. Crédit :Zongqi Guo et al, Actes de l'Académie nationale des sciences (2022). DOI :10.1073/pnas.2209662119
La méga-sécheresse de cet été dans l'ouest des États-Unis et l'échec d'une usine de traitement de l'eau du Mississippi ont démontré la nécessité de trouver d'autres moyens d'accéder à l'eau en cas de pénurie.
Une solution à la pénurie d'eau est de récolter l'eau de l'air. Le Dr Xianming "Simon" Dai, professeur adjoint de génie mécanique à la Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science de l'Université du Texas à Dallas, travaille sur la technologie pour permettre à quiconque d'avoir un appareil portable abordable qui pourrait accéder à l'eau n'importe où, n'importe quand, sans utiliser d'énergie externe.
Dai et son équipe de chercheurs ont récemment fait progresser cette technologie en développant une nouvelle plateforme pour accélérer le processus de récolte. L'équipe a présenté la plate-forme dans une étude publiée en ligne le 29 août dans Proceedings of the National Academy of Sciences .
La plate-forme résout un problème clé dans la collecte de l'eau :les gouttelettes d'eau collectées forment une barrière thermique qui empêche toute condensation supplémentaire, elles doivent donc être retirées de la surface aussi rapidement que possible pour faire de la place pour plus de collecte.
L'équipe UTD a résolu ce problème en développant une plate-forme avec une forme unique. Ils ont coupé une série de canaux en forme de champignon - de diamètre inférieur à celui d'un cheveu humain - dans la surface de collecte de sorte qu'une partie du matériau de surface surplombe chaque canal. Au fur et à mesure que les gouttelettes s'accumulent à la surface, elles sont absorbées dans les canaux, mais la conception en forme de champignon empêche l'eau de refluer sur la surface de collecte initiale. L'eau récoltée est collectée par ces canaux.
La clé du succès de la plate-forme est une nouvelle surface glissante de séparation des flux construite sur la base des travaux antérieurs de Dai en 2018 pour capturer l'eau du brouillard et de l'air. Inspirée des feuilles de riz et des sarracénies qui peuvent piéger et diriger les gouttelettes d'eau, la surface poreuse glissante hydrophile infusée de liquide (SLIPS) possède une propriété unique d'absorption de l'eau qui aide à diriger les gouttelettes d'eau dans les canaux. Les canaux sont également doublés de SLIPS, ce qui aide à empêcher le liquide de se laver à contre-courant sur la surface de collecte initiale.
"La force de tension de surface déplace le liquide de la surface de collecte dans le canal, ce qui est bon pour la collecte continue de l'eau", a déclaré Dai. "Les canaux en forme de champignon sont uniques car ils emprisonnent le liquide à l'intérieur."
La publication a marqué une réalisation majeure pour Zongqi Guo, Ph.D., premier auteur de l'étude, qui a obtenu son diplôme en décembre.
"This work is a summary of my Ph.D. research. We combined microfluidics, microfabrication and surface chemistry to unveil the new fundamentals for water sustainability, which is flow separation," said Guo, now a postdoctoral fellow at the University of Minnesota.
The technology has a variety of applications, including military uses. "Soldiers need to be able to drink water wherever they are," Dai said. "This requires a decentralized water harvesting technology."
Because the technology removes moisture from air, it also could be useful in food processing and other environments that require humidity control, he said. Dai's team continues to improve the technology and work toward making broader impacts.
Dr. Joshua Summers, professor and department head of mechanical engineering, said Dai's research addresses the importance of improving the welfare of all people.
"Hopefully, this publication can help stimulate the scientific discovery and engineering of solutions that can be widely deployed where moisture should be harvested," Summers said. "As a huge 'Star Wars' fan, I am excited to see that we are moving closer to the 'moisture farms' of Luke's youth."
Co-authors of the study include Dylan Boylan, mechanical engineering graduate student, and Dr. Li Shan, mechanical engineering research associate. 'Climbing droplets' could lead to more efficient water harvesting
