iPon Cikkek

Vizet a levegőből

Dátum | 2016. 03. 10.
Szerző | Jools
Csoport | EGYÉB

Könnyen elképzelhető, hogy a jövő leghatékonyabb páracsapdái egy gyászbogár, egy kaktusz és egy kancsóka keresztezésének köszönhetik majd létüket. A végeredményt persze nem valamiféle ijesztő mondai szörnyetegként kell elképzelnünk, hiszen Kyoo-Chul Park mindössze annyit tett, hogy megvizsgálta, hogyan gyűjtik be a levegőből a vizet az említett, ebben a tevékenységben különösen hatékony élőlények, majd egy mikroszkopikus rücskökkel borított mesterséges anyag létrehozása révén kombinálta ezek előnyös tulajdonságait. Amikor Park az MIT doktorandusza volt, olyan hálós panelek létrehozásán dolgozott, amelyek ködös helyeken felületet szolgáltatnak arra, hogy a vízpára kicsapódjon, és összegyűljön rajtuk. Az általa kifejlesztett a „ködfogókat” jelenleg már Chile dombvidékein tesztelik annak kiderítése érdekében, hogy ezek mennyire alkalmasak arra, hogy ivóvizet szolgáltassanak a rendkívül száraz vidék lakói számára. Park közben a Harvardra tette át székhelyét, ahol Joanna Aizenberg kutatócsoportjának tagja lett, és újfajta páracsapdákon kezdett dolgozni.
Különösképpen érdekelni kezdte a gyászbogarak módszere, amelyek évmilliók óta sikerrel alkalmazzák saját párafogó metódusukat. Az állatok Dél-Afrikában, a Namib-sivatagban élnek, ahol évente kevesebb mint egy centiméter csapadék esik le. Az Atlanti-óceán felől érkező légtömegekben ugyanakkor bőven akad víz, csak érteni kell a betakarításához. A gyászbogarak ezt úgy oldják meg, hogy fejüket a széllel szembe fordítják, majd hátsó felüket az égnek meresztik. A hátukra lecsapódó pára így egyenesen szájukba csorog, vagyis az állatok a világ egyik legszárazabb területén sem maradnak szomjan. Számos kutatás igazolta, hogy a rovarokat testük mikroszkopikus mintázata teszi különösen hatékony páracsapdákká. Hátukat apró, vizet vonzó anyagból készült rücskök borítják, amelyeket víztaszító völgyecskék kereteznek. A rücskökön a víz cseppekbe gyűlik, majd amikor a csepp elér egy bizonyos méretet, és leszakad a kiemelkedésről, a völgyek a szájszerv irányába terelik azt. Ez a kémiai felépítés kétségkívül nagyon jól bevált a rovaroknak, Park azonban kíváncsi volta arra, hogy a rücskök formája és mérete is segít-e a műveletben. Ennek kiderítése érdekében egy olyan anyagból alkotta újra a mintázatot, amely kémiailag nem vonzza vizet. A kísérletek során a kutató úgy találta, hogy levegő páratartalma ezeken a kiemelkedéseken is cseppekbe kezd gyűlni, még akkor is, ha víztaszító réteggel vonja be a felületet. A szakértő azt is észrevette, hogy minél kisebbek és „gömbölyűbbek” (vagyis minél kisebb sugarúak) kiemelkedések, annál gyorsabban nőnek rajtuk a vízcseppek.
A kisebb méretű rücskökkel ugyanakkor az a probléma, hogy kisebb lesz rajtuk a cseppek maximális mérete is. Park erre a problémára két megoldást ötlött ki. Első körben a gömbölyű felületű rücsköket négyszögletű oszlopokra cserélte le, amelyek teteje lapos volt, a lapos rész széleit pedig íveltre formálta. A pára erre az íves szegélyre kezdett lecsapódni, majd a pici cseppek lassan egy nagyobb, az oszlop tetejét beborító cseppé álltak össze, lehetővé téve, hogy egy-egy oszlop jóval több vizet gyűjtsön össze, mint egy vele azonos alapterületű gömbölyű kiemelkedés. A másik hasznos trükköt Park a kaktuszoktól leste el. A kaktuszok tövisei ugyanis szintén kiváló párafogók. Ahogy a lefelé egyre szélesedő töviseken a vízcsepp egyre lejjebb csúszik, egyre nagyobbra nőhet. A csepp ilyen módon egyrészt irányítottan mozog a vizet tároló szövetek felé, másrészt amint eléri a megfelelő méretet, szabaddá teszi a tövis csúcsát az újabb cseppek számára. Park ezért aszimmetrikussá formálta felületének rücskeit, lejtős „rámpákkal” egészítve ki azokat.
A kutató végül még egy természettől kölcsönvett módszerrel fokozta vízgyűjtő anyaga hatékonyságát, síkosabbá téve a rámpákat. A rovarokkal táplálkozó kancsókák kehelyszerű leveleinek felső pereme rendkívül csúszós. Ha egy ízeltlábú rálép erre a részre, garantáltan megcsúszik, és egyenesen beleszánkázik a kehelyben tárolt emésztőnedvekbe. Aizenberg korábbi kutatásai során alaposan megvizsgálta ezt a különleges mikrostruktúrájú felületet, és mintázatát lemásolva egy „omnifób” anyagot hozott létre, amely taszítja a vizet, a jeget, a vért, a nyersolajat és a baktériumokat is. A SLIPS (Slippery Liquid-Infused Porous Surface, azaz csúszós, folyadékkal átitatott, porózus felület) minden más ember alkotta felületnél csúszósabb, vagyis mindenfajta folyadék lepereg róla, nem jegesedik, és ha megsérül, még meg is gyógyítja magát. Ahogy Aizenberg kiderítette, a kancsóka leveleinek csúszós része egymást átfedő, egyenetlen felületet létrehozó sejtekből áll, amelyre a növény nektárt választ ki. A folyadék kitölti a mélyedéseket, a kiemelkedések ugyanakkor a helyén tartják a nektárt, megakadályozva, hogy az elszivárogjon. Ennek köszönhetően egy roppant sima, stabil, csúszós felszín alakul ki, amely taszítja a rovarok lábain található olajat.
A SLIPS ezt a struktúrát imitálja. Az anyag alapfelületét sűrű, vékony oszlopok vagy vékony szálak gubancos halmazai borítják, és ezt a lyukacsos réteget egy súrlódáscsökkentő folyadékkal töltik fel a kutatók. A folyadék nagyon kismértékben párolog, és sem a vízzel, sem az olajos anyagokkal nem vegyül. A SLIPS gyakorlatilag egy olyan szivacs, amely megtartja magában ezt a csúszós folyadékot, és ennek köszönhetően rendkívül sima lesz a felszíne. A vízszintes felületen éppen ezért a víz, az olaj és a vér is csaknem tökéletes gömbcseppek formájában ül meg, amelyek a felület legkisebb fokú megdöntése esetén is leperegnek az anyagról. Aizenberg és társai számos felhasználási területet javasoltak a SLIPS számára. Hasonlóan kiképzett felületek révén többek közt graffiti-taszító falak, súrlódásmentes belsejű csővezetékek és jégtaszító szélvédők lehetnek létrehozhatók. Mivel az ilyen felszínekről gyakorlatilag minden lepereg, SLIPS-szel bevont orvosi eszközöket is lehetne gyártani, illetve ilyen védőfelületekkel lehetne ellátni a kórházi berendezéseket. A sima, folyékony felületen ugyanis, ahogy már említettük, a baktériumok sem találnak fogást, nem tudják magukat kihorgonyozni, és nem képesek biofilmeket képezni. A fejlesztés ráadásul törékeny kinézete ellenére nagyon tartós és ellenálló. Az alapanyagokat úgy választották ki a kutatók, hogy a folyadék nem szivárog el, és ahogy már említettük, alig párolog. A résekből az anyagot erős folyadéksugárral sem lehet kimosni. A kutatók a tesztek során egy hétig a tengervíznél tízszer sósabb vízbe, illetve erős savakba és bázisokba áztatták a „szivacsokat”, mielőtt azok integritása, és folyadéktaszító képessége romlani kezdett volna.
Park tehát ezt a különleges felületet használta arra, hogy létrehozza aszimmetrikus kiemelkedéseinek lejtős rámpáit. A három természetből vett ötlet kombinálásával a kutató egy olyan felületet kapott végeredményül, amely adott idő alatt több mint tízszer annyi vizet tud kinyerni a levegőből, mint a hasonló célra tervezett, jelenleg forgalomban lévő anyagok. A fejlesztésen gyorsan képződnek a cseppek, nagy méretűre nőnek, és ha „elkészültek”, villámgyorsan tovagördülnek, akár a gravitáció ellenében is. Az optimális méretű és formájú kiemelkedések, az ezekről levezető rámpák és a SLIPS-bevonat együttesen hihetetlenül hatékony páracsapdát hoznak létre. Az Aizenberg által alapított, cambridge-i székhelyű SLIPS Technologies jelenleg már az új felület kereskedelmi forgalomba hozatalára készül. A fejlesztés elsődleges hasznosítói a sivatagi közösségek lehetnek, ahol a vízgyűjtő módszerekkel az a probléma is fennáll, hogy a levegőből összeszedett folyadék gyorsan újra elpárolog. „Ha nem tudjuk gyorsan összegyűjteni és fedett helyen eltárolni a vizet, rögtön el is veszíthetjük azt” – mondja Park. A felület ugyanakkor minden olyan létesítményben is nagyon hasznos lehet, ahol gyors páralecsapatásra van szükség az erőművektől kezdve a sótalanító üzemekig. Hogy mennyire válik elterjedté a fejlesztés, és a SLIPS más használati módjai, azt egyelőre nem tudni, de annyi bizonyos, hogy a kutatók bizonyították, lehetséges az élővilágból kölcsönzött módszereket kombinálva egészen újfajta tulajdonságokkal rendelkező, a természetes megoldásokat is lepipáló mesterséges felületeket alkotni.
Új hozzászólás írásához előbb jelentkezz be!