Sítě vodních kapek by mohly sklízet vodu z mlhy

Sklizeň vody ze vzduchu může vypadat jako sci-fi, ale projekt, na němž pracují vědci z ORNL je dost možná potřebný krok správným směrem. Základem na vzduchu stabilní sítě drobných vodních kapek vytvořené pomocí nové technologie je systém známý také jako kapkové dvouvrstvé rozhraní. Tvoří jej početné vodní kapky uzavřené do tenkého lipidového obalu. Mnoho vědců se zajímá o to, jak mohou fungovat jako syntetická tkáň, elektrické obvody nebo dokonce baterie.
Současné postupy k vytvoření těchto sítí jsou však poměrně těžkopádné, což omezuje jejich použití.

Olej a lotosový efekt
Způsob, jakým vědci řešili tento problém, spočívá v tom, že dvojice vodních kapek je vytvářena v olejové lázni a následně spojena, zatímco jsou ponořeny do oleje. „Jinak by praskly jako mýdlové bubliny," říká vedoucí autor studie Pat Collier. Pro vytvoření jednoduššího výrobního procesu, který by nevyžadoval vstřikování vodní kapičky do olejové lázně, umístili kapky na povrchu superhydrofobní infuze s olejovým povlakem. Superhydrofobní povrchy jsou velmi obtížně smáčitelné, vzhledem k tomu, že fungují na principu tzv. efektu lotosového listu. Vědci zjistili, že kapičky se vyrovnají vedle sebe, aniž by se vzájemně prolnuly, a že je možné použít je pro vytvoření sítí bez přidání tuků do směsi.
„Je známo, že když jsou tuky na rozhraní kapky vody, kapky se nebudou slučovat, protože rozhraní je spojí dohromady a vytvoří stabilní dvojvrstvu. Překvapením ale bylo, že i bez lipidů v systému, čisté kapky vody na olejovou infuzí upraveném povrchu stále nemají tendenci splývat dohromady," říká Jonathan Boreyko, postgraduální výzkumný pracovník na ORNL a spoluautor studie.
Vodním kapičkám bylo neočekávaně zabráněno sloučení díky přítomností tenkého olejového filmu mezi nimi, a díky olejové infuzi povrchu. Možnost efektivněji řídit chování vodních kapek na těchto plochách by mohla přinést větší poznání ve vytváření životaschopných technologií umožňujících získávat vodu z mlhy, tvrdí výzkumníci.
„Navíc by přidání lipidů k vytvoření více membrán, vypadajících jako sítě vodních kapek, mohlo otevřít cestu k jejich použití v aplikacích, jako syntetická biologie a biosenzory - např. řetězením těchto kapek vytvářet bio-baterie nebo signalizační síť," vysvětluje Pat Collier.

Patentováno přírodou
K vytvoření systémů umožňujících získat vodu ze vzdušné vlhkosti inspirovala výzkumníky příroda - konkrétně drobný brouk Stenocara z africké pouště, známý také jako „mlhový brouk“. Stenocara má unikátní mechanismus pro převod atmosférické vody, která existuje v mlze v podobě kapek o rozměrech 1 - 50 µm - do životaschopného zdroje pitné. Jeho tajemství tkví v exoskeletonu (tzn. krovkách brouka), který podporuje atmosférickou kondenzaci. Povrch tvoří pole téměř náhodných hrbolků o průměru asi 0,5 mm, rozesetých přibližně 0,5 - 1,5 mm od sebe na hladkém a voskovém pozadí. Ty jsou hydrofilní (přitahují vodu), zatímco voskové pozadí ji odpuzuje. Když brouk létá do ranní mlhy, vlhkost na hrbolcích rychle kondenzuje (odpařování je minimální z důvodu snížené plochy rány), takže každá kapka vody roste s pokračující kondenzací, a hromadí se na každém hydrofilním vyboulení bouli.Kapičky vody se pak skutálejí dolů do úst brouka, což mu zajišťuje kontinuální zdroj pitné vody. Úspěch tohoto procesu je založen výhradně na chytré kombinaci povrchové chemie a vzorování.
Schopnosti brouka zachytávat vodu z atmosféry se pokusili i australští výzkumníci z univerzity v Sydney a vytvořili syntetické povrchy, které napodobují toto chování. Tyto tzv. biomimetické povrchy vyžadují sub-mikronové vzory, kde jedna část vzoru je hydrofilní a druhá složka je vodoodpudivá. Cílem je mj. vytvořit z levných a snadno dostupných výchozích látek materiály zachycující vodu, které by mohly být např. umístěny na střechách a stěnách a zachytávat vodu z vlhkého vzduchu.

Polymery napodobují brouka
Cestou k vytvoření takovýchto materiálů, mohou být mikrovzorované plochy s využitím polymerních filmů. Polymery jsou makromolekuly, zpravidla inertní a stabilní po dlouhou dobu, a běžné polymery (např. polystyren jsou velmi levné na výrobu). Mohou se také snadno odlévat do polymerních filmů z roztoku, což umožňuje přípravu polymerních povlaků na mnoha různých površích. Tyto povlaky mohou být až 10 000krát tenčí, než je lidský vlas. Polymerní povlaky mohou být aplikovány pomocí různých technik, jako je spin coating, ponořování, nebo dokonce postřikem.
K vytvoření mikrovzorovaných ploch, které kopírují exoskeleton druhu Stenocara, využili vědci i nestabilitu a nemísitelnosti polymerních povlaků. Na rozdíl od směsi různých malých molekul, jsou polymery tak velké, že dva různé typy (např. polystyren a polyester), nezůstanou ve směsi, ale místo toho se rozdělí do dvou fází. Tento jev umožňuje vytvořit dva speciální povlaky, které se použijí na sebe, aniž by se smísily. Jde o tzv. dvojvrstvy, které lze vyrobit z různých polymerů, kde spodní vrstva odpuzuje vodu, zatímco horní vrstva je výrazně více hydrofilní.
Je-li dvouvrstvý polymer zahřát na teplotu přesahující 150 °C, horní vrstva se samovolně rozpadá do řady izolovaných kapiček - toto chování je označováno jako dewetting. Rozpad horní vrstvy minimalizuje množství povrchových bodů, v nichž jsou dva polymery v kontaktu. Zjednodušeně řečeno, oba polymery se nemají rády navzájem. Při pokojové teplotě se tyto vzory „uzamknou“ a poskytnou struktury, která je podobná povrchu brouka Stenocara a umožňuje zachytit ze vzduchu více vody. Mnoho povrchů tak může sloužit pro kondenzaci vody z vlhkého vzduchu, zejména je-li povrch chladný - což způsobuje např. tvorbu rosy v brzkých ranních hodinách a kondenzaci na povrchu láhve odebrané z ledničky.
Plochy vybavené mikrovzorkovou strukturou, vyrobené z modifikovaného polystyrenu, nabízejí významnou výhodu, protože velikost hydrofilních bodů, kde může kondenzovat vlhkost vzduchu, je obvykle velmi malá (~ 5 µm). Kompozitní charakter ploch také pomáhá kondenzovaným vodním kapkám se oddělit od povrchu. Kapičky vody se oddělují od kompozitního povrchu už při polovičním objemu než v případě povlaku z pouze jednoho polymeru, a požadované výsledky lze dosáhnout i při mnohem nižší vlhkosti.
 

Publikováno: 25. 8. 2014 | Počet zobrazení: 3157 619