Voor allerlei industriële toepassingen is het van belang om waterdamp op een oppervlak te laten neerslaan in de vorm van druppels. Amerikaanse ingenieurs hebben een oppervlak ontworpen dat dit nog efficiënter doet. Voor hun ideeën hebben ze zich door de natuur laten inspireren.

Ze schrijven erover in een vandaag verschenen artikel in vakblad Science Advances.

Als het buiten mistig is, regent het onder bomen. Waterdamp uit de lucht condenseert op de takken en als de druppels dik genoeg zijn, vallen ze door de zwaartekracht naar beneden. Ingenieurs willen dit natuurlijke proces graag gebruiken in industriële processen, bijvoorbeeld in ontziltingsinstallaties of om in droge gebieden schoon water mee uit de lucht te halen.
 

Twee eigenschappen

Er is daarom al enige tijd een zoektocht gaande naar nieuwe oppervlakken die twee eigenschappen in zich verenigen: ze moeten aan de ene kant zo snel mogelijk waterdruppels laten neerslaan, terwijl die druppels vervolgens weer zo snel mogelijk moeten worden afgevoerd, zodat nieuwe waterdruppels kunnen condenseren (lees: ‘Oppervlak versnelt condensatie van water’).

Nu hebben ingenieurs van Pennsylvania State University en de University of Texas weer een volgende stap gezet. Ze hebben een paar slimme manieren bedacht om een oppervlak mee te veranderen, zodat er nog meer waterdruppels per tijdseenheid op neerslaan. En ook voor het afvoeren van de druppels hebben ze een oplossing bedacht.
 

Ruw maar glibberig

Eerst het winnen van het water. De Amerikanen maakten een oppervlak van silicium met kleine pilaartjes erop (50 µm breed), om het totale oppervlak te vergroten waaraan water kan condenseren. Dit oppervlak hebben ze gecoat met een heel dun laagje van een hydrofiele – waterlievende – stof, waardoor de condensatie nog sneller gaat (zie figuur hieronder). Ze noemen dit geheel een ‘hydrophilic slippery rough surface’, een waterlievend glibberig ruw oppervlak.

 

 

Dit speciaal geprepareerde oppervlak is zó glad dat kleine druppeltjes zich gemakkelijk kunnen verplaatsen en samenklonteren tot dikkere druppels. Doordat het oppervlak onder een hoek staat, glijden de dikke waterdruppels er op een gegeven moment vanaf. Dit glijden wordt nog gestimuleerd door microgroeven, die zijn gecoat met een smeermiddel. Een reservoir vangt ten slotte de dikke druppels op.


Kever en bekerplant

De gebruikte structuren zijn geïnspireerd op voorbeelden uit de natuur. Het aantrekken van water komt van de Namibische woestijnkever, die in een gortdroge omgeving moet zien te overleven. En het superglibberige oppervlak dat de druppeltjes vlot afvoert, komt van de bekerplant, een vleesetende plant die insecten aantrekt en vervolgens hulpeloos naar beneden laat glijden (zie foto rechts en lees: ‘Glibberig materiaal van vleesetende plant nagebootst’).

‘We hebben goede hoop dat onze structuren goed op te schalen zijn afhankelijk van de gekozen toepassing’, zegt universitair docent werktuigbouwkunde Simon Dai van de University of Texas in een persbericht. ‘Maar we gaan nu eerst proberen om bij een lage luchtvochtigheid het oogsten van water uit de lucht te verbeteren.’

Deze video laat goed zien dat het nieuwe oppervlak (links) het beter doet dan concurrenten:

 

Beeldmateriaal Dai et al., Science Advances, 2018. Openingsfoto Pixabay