Một cách hiệu quả hơn để thu nước ngọt từ không khí có thể được lấy cảm hứng từ hiện tượng chuyển động lần đầu tiên được nhìn thấy trong bát ngũ cốc ăn sáng.
Hiệu ứng Cheerios là một quá trình trong đó các vật thể nhỏ nổi tập trung lại với nhau trên bề mặt chất lỏng. Các nhà nghiên cứu đã tối ưu hóa quy trình này để tăng tốc độ ngưng tụ cho các hệ thống thu hoạch nước hiệu quả. Tín dụng: 2024 KAUST; Ivan Gromicho.
Các nhà nghiên cứu của KAUST đã quan sát thấy rằng khi các giọt nước ngưng tụ từ không khí trên một bề mặt lạnh được phủ dầu, các giọt nước này bắt đầu một vũ điệu phức tạp. Chuyển động này – giống như một quá trình được gọi là hiệu ứng Cheerios, trong đó ngũ cốc trôi nổi có xu hướng tụ lại do sức căng bề mặt – có thể giúp tăng tốc độ thu hoạch nước từ khí quyển ở những vùng khô cằn như Ả Rập Saudi.
Marcus Lin, một nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Dan Daniel, người đứng đầu nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi quan tâm đến việc thiết kế các bề mặt có thể thúc đẩy quá trình ngưng tụ nước, có ứng dụng truyền nhiệt và thu nước quan trọng”. Trên một bề mặt rắn điển hình, các giọt ngưng tụ dính vào bề mặt với chuyển động tối thiểu. Lin nói: “Hãy nghĩ đến nước ngưng tụ trên lon soda lạnh. “Các giọt nước chỉ di chuyển khi chúng đủ lớn để trọng lực kéo chúng xuống.”
Daniel, Lin và các cộng tác viên của họ đã có ý tưởng rằng việc thêm một màng dầu mỏng sẽ bôi trơn bề mặt, tạo ra các giọt có tính di động cao giúp giải phóng không gian cho các giọt ngưng tụ thêm, tăng tốc độ ngưng tụ. Ý tưởng này đã thành công – nhưng những cách thức phức tạp mà các giọt nước di chuyển là một điều hoàn toàn bất ngờ, Daniel nói.
Khi các giọt nước lớn đến kích thước tới hạn, chúng bắt đầu di chuyển trên dầu theo một mô hình riêng biệt giống như một điệu nhảy phức tạp. Lin cho biết: “Ban đầu chúng di chuyển theo kiểu ngoằn ngoèo trước khi chuyển sang chuyển động tròn và sau đó quay trở lại”. “Những chuyển động này xảy ra trên quy mô từ micromet đến vài centimet và chúng kéo dài hàng giờ.”
Các nhà nghiên cứu đã chụp được những giọt nước thể hiện chuyển động tập thể phức tạp, dao động giữa chuyển động ngoằn ngoèo và chuyển động tròn khi chúng ngưng tụ trên một màng dầu mỏng. Tín dụng: 2024 KAUST; Fauzia Wardani.
Động lực của quá trình này là—giống như Cheerios trong sữa—những giọt nước nổi trên dầu sẽ bị hút về phía những giọt nước lân cận. Chuyển động của những giọt lớn hơn được thúc đẩy bởi năng lượng được giải phóng khi chúng nuốt những giọt nhỏ hơn trên đường đi của chúng.
Các giọt chuyển động phân phối lại màng dầu và chuyển từ chuyển động ngoằn ngoèo sang chuyển động tròn khi màng bị cạn kiệt cục bộ. Khi nguồn dầu địa phương phục hồi trở lại, điệu nhảy giống như con rắn lại tiếp tục.
Daniel cho biết, những thiết bị có thể thu nước từ không khí một cách hiệu quả bằng cách ngưng tụ đơn giản, không cần sử dụng năng lượng đầu vào, đang được tìm kiếm rộng rãi khi áp lực ngày càng tăng đối với các nguồn nước ngọt. Ông nói: “Bằng cách tối ưu hóa chuyển động tập thể của các giọt ngưng tụ, chúng tôi có thể tăng đáng kể tốc độ ngưng tụ và từ đó thiết kế các hệ thống thu hoạch nước hiệu quả hơn”.
Nhóm dự định khám phá thêm các cơ chế thúc đẩy chuyển động của giọt nước, đặc biệt là nghiên cứu quá trình chuyển đổi từ chuyển động ngoằn ngoèo sang chuyển động tròn. Lin cho biết thêm: “Một khía cạnh quan trọng khác là khám phá các ứng dụng tiềm năng, đặc biệt là trong việc tăng cường truyền nhiệt và thu hoạch nước”.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Physical Review Letters .
