Ein Team von Forschern der Universität von Texas in Dallas und Penn State University hat entwickelte eine Oberfläche das kann schnell Wassermoleküle aus Nebel und Luftdämpfen sammeln und sie entlang geschmierter Mikrorillen in Richtung eines Reservoirs leiten.

Die Forscher ließen sich für die Gestaltung ihrer „hydrophilen, gerichteten, rutschigen Oberfläche“ (SRS) von dem Prozess inspirieren, mit dem sich lebende Organismen wie Wüstenkäfer, Kannenpflanzen und Reisblätter auf natürliche Weise ansammeln und Wasser leiten.

„Bestehende Verfahren zur Erzeugung von Frischwasser wie die Entsalzung setzen den Übergang von Dampf zu Wasser voraus.“ Simon Dai, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der Erik Jonsson School of Engineering und Informatik an der UT Dallas, sagte in einer Erklärung. „Wir wollten eine Oberfläche schaffen, mit der Wassertropfen effizient aufgefangen und geleitet werden können.“

Die vollständige Studie ist in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft Fortschritte.

Die Inspiration

Bei der Entwicklung ihrer Technologie untersuchten die Forscher einige der besten Techniken zur Wassergewinnung in der Natur.

Insbesondere beobachteten sie hydrophile Oberflächen an den Schalen bestimmter Wüstenkäfer sowie an Krugpflanzen und Reisblättern.

"Wüstenkäfer verwendeten hydrophile Beulen, um Wassertropfen von Nebel zu absorbieren, und verwendeten gemusterte hydrophobe Wachse, um diese Tröpfchen zum Trinken zu entfernen", sagte Dai.

Während die hydrophilen Stöße auf Wüstenkäfern demonstrieren, wie man Wassertröpfchen aus der Luft sammelt und kombiniert, zeigen die rutschigen Oberflächen von Kannenpflanzen und die winzigen Richtungsrillen auf Reisblättern, wie man die Wassertröpfchen schnell zu einem Reservoir leitet.

Die Kombination dieser natürlichen Designs schafft eine Oberfläche, die Wassertröpfchen effizient auffangen und lenken kann.

Der zweite Teil - das Leiten der Wassertröpfchen - ist wichtig, da dadurch sichergestellt wird, dass während des Ernteprozesses kein Wasser durch Verdunstung verloren geht.

„Wir haben festgestellt, dass Wüstenkäfer die Oberfläche nicht voll nutzen können, weil die hydrophoben Domänen nicht gut sind“, sagte Dai. „Deshalb haben wir eine Oberfläche entwickelt, die für die Wasseraufnahme voll ausgenutzt werden kann und in der Zwischenzeit das geerntete Wasser schnell entfernt, sodass wir eine hydrophile und rutschige Oberfläche benötigen.“

Die Technologie

Die Forscher konstruierten eine Oberfläche und ätzten gerichtete, nanogroße Strukturen hinein. Sie beschichteten dann die Oberfläche mit einem hydrophilen flüssigen Schmiermittel.

"Wir haben durch Simulationen herausgefunden, dass Moleküle, die Wasser - oder hydroxyfunktionelle Gruppen - anziehen, die effizientesten Wassertröpfchen einfangen können." Steven Nielsen, Associate Professor in der Abteilung für Chemie und Biochemie an der UT Dallas und Co-Autor der Studie, sagte in einer Erklärung. "Deshalb haben wir hydrophiles Schmiermittel verwendet."

Die Forscher mussten sicherstellen, dass das Schmiermittel, sobald es auf die Oberfläche aufgetragen wurde, gleichmäßig zurückgehalten wird und sich nicht mit dem Wasser vermischen würde.

Das Schmiermittel dient einem doppelten Zweck, indem es Wasser anzieht und eine rutschige Oberfläche erzeugt, so dass sich die Wassertröpfchen, die sich bilden, leicht abwärts bewegen und sich zu größeren Tröpfchen verbinden können.

"Wir haben unsere gerichteten, rauen Oberflächen mit einem hydrophilen, flüssigen Schmiermittel infundiert, das molekular beweglich ist, sodass das gesammelte Wasser zu größeren Tropfen verschmelzen kann", sagte Dai in einer Erklärung. „Darüber hinaus ist das Material skalierbar. Im Gegensatz zu den von Käfern inspirierten Oberflächen, auf denen Wassertröpfchen nur in bestimmten Bereichen entstehen, können wir kleine oder große Oberflächen erzeugen, die Wasser überall auf der Oberfläche schnell einfangen und bewegen können. “

Die Kombination von richtungsabhängigen Rillen und der hydrophilen, rutschigen Oberfläche erwies sich als wirksamer beim Auffangen und Richten von Wassertröpfchen als vergleichbare Oberflächen.

Hydrophile oder wasseranziehende Oberflächen wie die SRS können für eine Anzahl von Zwecken und Industrien verwendet werden, wie zum Beispiel Klimaanlagen, Tropfenkondensation zur Stromerzeugung und -entsalzung und Wassergewinnung in Trockengebieten.

Struktur & Organisation

Die Forscher haben bereits ein Patent auf die SRS angemeldet, und werden im weiteren Verlauf nach Möglichkeiten suchen, diese für die reale Anwendung zu verbessern.

"Wir planen, den SRS in größerem Maßstab herzustellen", sagte Dai. "Die zukünftige Forschung unserer Gruppe umfasst die Entwicklung eines dauerhaften Materials für die Wassernutzung bei niedriger Luftfeuchtigkeit."