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新颖的表面鼓励液滴自发地移动成更大的液滴
2021年05月14日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

得克萨斯大学达拉斯分校的研究人员发现,他们开发出一种新颖的表面来从空气中吸水,可促使微小的水滴自发地移动成较大的水滴。


当研究人员将微滴水放在其液体润滑剂表面上时,这些微滴会在没有外力的情况下推动自己沿着油状斜坡状弯液面爬升到较大的液滴中,该弯月形液面由较大液滴周围的润滑剂形成。“粗大液滴现象”形成了足够大的液滴以进行收获中国化工网okmart.com


“弯液面介导的爬升作用使亲水性表面能够快速聚结,并且以前没有报道过。我们已经发现了一种新的物理现象,可以在没有外力的情况下从空气中更快地收集水,”助理助理戴宪明博士说。埃里克·琼森工程与计算机科学学院的机械工程教授是该工作的负责人。“如果我们没有这种新现象,那么液滴将太小,我们将很难收集它们。”


亲水性SLIPS表面(左)上的微滴水推动自身在没有外力的情况下沿着油状斜坡状弯液面爬入较大的液滴,该弯月形液面由较大液滴周围的润滑剂形成。右侧的视频剪辑显示了微滴在坚实的光滑表面上的行为。


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该发现于3月25日发表在《细胞报告物理科学》(Cell Reports Physical Science)上,可以解决从空气中收集水的关键问题。从空气中的水蒸气凝结的许多液滴太小而无法收集,它们会以阻止进一步凝结的方式覆盖表面。


随着越来越多的人生活在淡水短缺的地区,开发从大气中收集水的新技术是一个不断发展的研究领域。科学家估计,每年有至少40亿人生活在淡水严重短缺的地区,至少一个月。预计到2050年,这一数字将增加到48亿至57亿之间。原因包括气候变化,水污染和人口增长和使用行为变化引起的需求增加。


微滴自爬作用的关键是戴及其同事先前开发的表面。他们的液体润滑剂是一种亲水性,光滑的,注入液体的多孔表面(SLIPS),具有独特的亲水性,可用于集水并将水滴迅速引导到储层中。


研究人员偶然发现了其表面上的自推进液滴现象。他们正在测试不同的润滑剂,以确定哪种润滑剂最能促进集水,因为他们看到较小的水滴将自身推向较大的水滴。因此,他们与普林斯顿大学机械和航空工程学系主任,流体动力学专家霍华德·A·斯通博士进行了合作,以研究这种现象的潜在物理原理。


斯通说:“戴博士和他的团队领导了这项工作。这些想法是有创意的,他们在实验室进行了一系列观察,使他们了解了潜在的物理学及其潜在应用。” “他们联系了我,讨论了这种机制,我们举行了几次Skype或Zoom会议和电子邮件交流。这都非常有趣并且令人振奋。我非常高兴看到这些想法演变成已发表的论文。”


当水蒸气在液体润滑剂表面上凝结时,来自润滑剂的油会在液滴周围形成弯液面或曲率。弯月面看起来像一个向上弯曲的坡道,就像一座桥梁,微滴沿着该桥自发地向上方爬并与较大的水滴聚结,这一过程被研究人员称为粗化效果。润滑表面的特性可防止水滴完全浸没在油中,因此水滴可以漂浮在油上,从而使其爬上去。


戴说:“油液弯液面就像一座桥梁,因此油滴可以爬上它。” “小液滴会主动寻找较大的液滴。在通过桥将它们连接后,它们便合而为一。”


当微小的水滴从冷却表面上的空气中冷凝时,它们成为防止进一步凝结的热障。通过快速收集水滴,粗化的水滴有助于清理表面,形成新的水滴,从而有助于更快,更有效地进行水收集。


无论表面如何定向,亲水性SLIPS上的自推进式粗化液滴都能快速去除凝结的亚微米级液滴,与集水用的其他表面相比,这是一种很有前途的方法。


戴Dai说:“除非我们有一个快速的收集过程,否则我们不能收集大量的水。其他表面的问题是,细小的水滴可能在被收集之前就蒸发掉了。”


“根据我们的实验数据,粗糙化的表面使集水率比同等水平的集水器高200%,”机械工程博士学位的学生和合著者郭宗琪说。Dai和他的同事们继续研究使用润滑剂的方法,以制造出可移动,体积更小,重量更轻且价格更低廉的可持续集水系统。


戴说:“如果我们能够做到这一点,我们可以在有空气的任何地方收集水,这在缺水的地区尤为重要。”


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