Ученые из Яньшаньского университета, Цзилиньского университета и Яньчэнского технологического института в Китае при помощи коллег из Лиссабонского университета создали установку, способную одновременно добывать воду из тумана и вырабатывать электричество. В отличие от большинства существующих разработок, где одни устройства эффективно собирают влагу, но не производят энергию, а другие генерируют ток от падающих капель, но почти не дают воды, новая установка совмещает обе функции в единой системе.
Вдохновением для разработки стали сразу несколько природных механизмов. Во-первых, ученые использовали принцип жука из пустыни Намиб, который собирает влагу благодаря сочетанию гидрофильных и гидрофобных участков на своем панцире. Во-вторых, позаимствовали коническую форму колючек дикого кактуса, создающую градиент кривизны и направляющую капли воды к его основанию. Третьим же источником вдохновения стал непентес (кувшиночник) – хищное растение с особой скользкой поверхностью, покрытой микровпадинами, по которым жидкость может быстро двигаться практически без сопротивления.
Все эти принципы в результате были объединены в одной конструкции.
Для этого ученые с помощью лазера нанесли на титановую пластину разветвленный дендритный рисунок с клиновидными микроканалами. Затем при помощи нагрева и ультрафиолетового облучения на поверхности сформировали участки с разной смачиваемостью – от супергидрофобных, отталкивающих воду, до супергидрофильных, где капля практически мгновенно растекается по поверхности.
Получившаяся структура работает следующим образом.
Мельчайшие капли тумана оседают на гидрофильных боковых ветвях и постепенно сливаются в более крупные. Затем благодаря разнице давлений Лапласа (более высокому давлению в узких частях клиновидных каналов) и действию капиллярных сил капли начинают самостоятельно двигаться к центральному каналу и далее вниз. Гравитация и градиент смачиваемости помогают воде быстро скользить по поверхности, не образуя сплошной пленки, которая обычно ухудшает эффективность сбора тумана. Эксперименты показали, что такая геометрия обеспечивает наиболее эффективный транспорт капель.
Наилучшие результаты показала поверхность, сочетающая два типа микроструктур. Скорость сбора влаги в таком случае достигла 9,7 грамма воды на квадратный сантиметр в час. Это примерно в 4,3 раза больше по сравнению с необработанной титановой поверхностью и более чем вдвое выше по сравнению с обычными гидрофильными покрытиями.
Далее собранная вода под действием силы тяжести попадает на поверхность второго устройства – капельного трибоэлектрического наногенератора. Его рабочий слой выполнен из композита на основе MXene и полидиметилсилоксана. Первый обеспечивает высокую способность накапливать заряд, второй делает поверхность сверхгидрофобной с углом смачивания около 152°. Благодаря этому капли быстро скатываются вниз и не мешают дальнейшей генерации электричества.
Когда капля ударяется о поверхность генератора, она деформируется и вызывает перераспределение электронов между слоями материала. В результате возникает короткий электрический импульс. Ученые подобрали оптимальные параметры работы: высоту падения капли около 25 сантиметров, угол наклона поверхности 45° и объем капли примерно 30 микролитров. В таком режиме генератор выдавал напряжение до 5 вольт и ток около 0,25 микроампера. При этом система выдержала более тысячи рабочих циклов без заметного ухудшения характеристик, а защитный полимерный слой предохранял материал от воздействия воды и ультрафиолета.
Для демонстрации работы системы исследователи собрали модуль площадью около 0,35 м², состоящий из 25 элементов для сбора тумана и встроенного генератора. В лабораторных условиях, имитирующих густой туман, установка за 10 часов собрала около 1,6 литра воды – примерно 83% суточной потребности человека в питьевой воде для засушливых регионов. Одновременно система вырабатывала достаточно электричества для питания светодиода, который можно использовать, например, для досвечивания растений.
В порядке эксперимента ученые использовали собранную воду для выращивания ячменя. Семена начали прорастать уже через 48 часов, а спустя неделю ростки, поливаемые добытой системой водой, заметно обогнали по высоте контрольную группу без полива.
Анализ климатических данных показывает, что новая технология особенно перспективна для регионов с высокой влажностью воздуха, но нерегулярными осадками, например, для Сальвадора или Бангкока, где относительная влажность может достигать 96%. По расчетам исследователей, в этих городах их разработка способна производить до 4,6 литра воды на квадратный метр поверхности в сутки.
