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. 

Владимир Королёв