麦圈效应是一种小的漂浮物聚集在液体表面的过程。研究人员优化了这一过程，以提高高效集水系统的冷凝率。Credit: 2024 KAUST;伊凡Gromicho
一种更有效的从空气中捕获淡水的方法可能会受到一种运动现象的启发，这种现象最初是在早餐麦片碗中瞥见的。
KAUST的研究人员观察到，当水滴从空气中凝结到涂有油的冷表面时，水滴开始了复杂的舞蹈。这种运动——类似于被称为“麦圈效应”的过程，即漂浮的谷物由于表面张力而倾向于聚集在一起——可能有助于加快沙特阿拉伯等干旱地区从大气中收集水分的速度。
“我们感兴趣的是设计能促进水凝结的表面，这对传热和集水有重要的应用，”丹尼尔实验室的研究员马库斯·林(Marcus Lin)说，他领导了这项研究。在典型的固体表面上，凝结的液滴以最小的运动粘在表面上。林说:“想象一下水凝结在冰冷的汽水罐上。”“水滴只有在它们长到足够大的时候才会移动，重力会把它们拉下来。”
惊人的水滴运动
丹尼尔、林和他们的合作者们的想法是，添加一层薄薄的油膜可以润滑表面，从而产生高流动性的液滴，从而为液滴的进一步凝结腾出空间，从而提高冷凝率。丹尼尔说，这个想法奏效了，但液滴移动的复杂方式完全是一个惊喜。
一旦液滴增长到临界尺寸，它们就开始以一种独特的模式在石油上移动，类似于一场精心制作的舞蹈。“他们最初以蛇形的方式移动，然后转变为圆周运动，然后再回来，”林说。“这些运动发生在从微米到几厘米的尺度上，持续了几个小时。”
研究人员捕捉到水滴在一层薄薄的油膜上凝结时，表现出复杂的集体运动，在蛇形运动和圆形运动之间振荡。Credit: 2024 KAUST;Fauzia Wardani
这一过程的驱动力是——就像牛奶中的麦圈一样——浮在油上的水滴被吸引向它们的邻居。较大液滴的运动是由它们吞噬路径上较小液滴时释放的能量驱动的。
当油膜局部耗尽时，运动的液滴重新分配油膜，并从蛇形运动转变为圆周运动。一旦当地的石油重建，蛇舞就会继续。
丹尼尔说，随着淡水资源压力的增加，这种设备可以通过简单的冷凝有效地从空气中捕获水，而不需要能量输入。他说:“通过优化冷凝液滴的集体运动，我们可以大大提高冷凝率，从而设计出更高效的集水系统。”
该团队计划进一步探索驱动液滴运动的机制，特别是研究从蛇形运动到圆形运动的转变。“另一个关键方面是探索潜在的应用，特别是在传热增强和水收集方面，”林补充说。
参考文献:Marcus Lin, Philseok Kim, Sankara **am, Rifan Hardian, Solomon Adera, Joanna Aizenberg, Xi Yao和Dan Daniel的“自发冷凝液滴的紧急集体运动”，2024年2月1日，物理评论Letters。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.132.058203
