Вероятность того, что молекула пара отразится или отразится от поверхности жидкости, является фундаментальным свойством воды, как и ее температура кипения. И все же в прошлом веке практически не было согласия относительно вероятности того, что молекула воды отскочит от поверхности жидкости.«Когда молекула водяного пара ударяется о поверхность, она сразу же попадает в жидкость? Или она отрывается и ударяется снова и снова, а затем в конце концов входит?» говорит Рохит Карник, доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института. «Существует много противоречий, и нет простого способа измерить это основное свойство».
Знание этой вероятности отскока дало бы ученым существенное понимание множества применений, связанных с потоком воды: движение воды через почву, образование облаков и тумана, а также эффективность устройств фильтрации воды.Это последнее приложение побудило Карника и его коллег — Джонхо Ли, аспиранта Массачусетского технологического института в области машиностроения, и Тахара Лауи, профессора Университета нефти и полезных ископаемых имени короля Фахда (KFUPM) в Саудовской Аравии, — изучить вероятность подпрыгивания воды. . Группа разрабатывает мембраны для опреснения воды; Успех этой технологии частично зависит от способности водяного пара проходить через мембрану и конденсироваться с другой стороны в виде очищенной воды.Наблюдая за переносом воды через мембраны с порами различного размера, группа измерила вероятность конденсации или отскока молекулы воды от поверхности жидкости в наномасштабе.
Результаты, опубликованные в Nature Nanotechnology, могут помочь в разработке более эффективных опреснительных мембран, а также могут расширить понимание ученых о потоке воды в наномасштабе.«Везде, где есть поверхность жидкость-пар, будет испарение и конденсация», — говорит Карник. «Таким образом, эта вероятность довольно универсальна, поскольку она определяет, что молекулы воды делают на всех таких поверхностях».На пути к потоку
Один из самых простых способов удалить соль из воды — кипятить и выпаривать воду — отделить ее от солей, а затем сконцентрировать ее в виде очищенной воды. Но этот метод энергоемкий, требует большого количества тепла.
Группа Карника разработала опреснительную мембрану, которая имитирует процесс кипячения, но без необходимости нагревания. Тонкая как бритва мембрана содержит поры нанометрового размера, которые при взгляде сбоку напоминают крошечные трубочки. Половина каждой трубки является гидрофильной или водоотталкивающей, а другая половина — гидрофобной или водоотталкивающей.
Когда вода течет от гидрофильной к гидрофобной стороне, она превращается из жидкости в пар на границе раздела жидкость-пар, имитируя переход воды в процессе кипения. Молекулы пара, которые перемещаются в жидкий раствор на другом конце нанопоры, могут либо конденсироваться в нем, либо отскакивать от него.
Мембрана обеспечивает более высокий расход воды, если больше молекул конденсируется, а не отскакивает.Создание эффективной опреснительной мембраны требует понимания того, что может препятствовать протеканию воды через нее.
В случае мембраны исследователей они обнаружили, что сопротивление потоку воды обусловлено двумя факторами: длиной нанопор в мембране и вероятностью того, что молекула будет отскакивать, а не конденсироваться.В экспериментах с мембранами, нанопоры которых различались по длине, команда обнаружила, что большая длина пор была основным фактором, препятствующим потоку воды — то есть, чем большее расстояние должна пройти молекула, тем меньше вероятность, что она пройдет через мембрану. По мере того, как поры становятся короче, что приводит к сближению двух жидких растворов, этот эффект ослабевает, и у молекул воды появляется больше шансов пройти сквозь них.Но на определенном этапе исследователи обнаружили, что сопротивление потоку воды в первую очередь связано с вероятностью отскока молекулы.
Другими словами, в очень коротких порах поток воды ограничен возможностью отскока молекул воды от поверхности жидкости, а не их перемещением через нанопоры. Когда исследователи количественно оценили этот эффект, они обнаружили, что только от 20 до 30 процентов молекул водяного пара, ударяющихся о поверхность жидкости, на самом деле конденсируются, причем большинство отскакивает.Дизайн без отскока
Они также обнаружили, что вероятность отскока молекулы зависит от температуры: 64 процента молекул отскакивают при температуре 90 градусов по Фаренгейту, а 82 процента молекул отскакивают при температуре 140 градусов. Группа построила график зависимости вероятности отскока воды от температуры, получив график, на который, по словам Карника, исследователи могут ссылаться при вычислении потоков в наномасштабе во многих системах.«Эта вероятность говорит нам, как различные поровые структуры будут работать с точки зрения потока», — говорит Карник. «Насколько короткими должны быть поры и какие скорости потока мы получим? Этот параметр напрямую влияет на конструктивные особенности нашей фильтрующей мембраны».
Ян Эйкель, профессор микрофлюидики и наножидкости из Университета Твенте в Нидерландах, говорит, что работа группы может быть полезна для понимания широкого спектра явлений, включая микрофизику и химию облаков, жидкостей, аэрозолей и атмосферы.«Их главный вклад — это внедрение совершенно нового метода, который обладает очень хорошей гибкостью, позволяя регулировать расстояние между водными поверхностями до очень коротких», — говорит Эйкель, который не участвовал в работе. «Кроме того, элегантно нововведение, заключающееся в независимом изменении состава двух решений».
Ли говорит, что знание вероятности подпрыгивания воды также может помочь контролировать уровень влажности в топливных элементах.«Одна из проблем топливных элементов с протонообменной мембраной заключается в том, что после реакции водорода и кислорода образуется вода. Но если вы плохо контролируете поток воды, вы затопите сам топливный элемент», — говорит Ли. «Такой вид топливных элементов включает наноразмерные мембраны и структуры. Если вы понимаете правильное поведение конденсации или испарения воды в наномасштабе, вы можете контролировать влажность топливного элемента и постоянно поддерживать хорошую производительность».
Исследование финансировалось Центром чистой воды и чистой энергии при Массачусетском технологическом институте и KFUPM.