Fysikere udvikler nyt materiale til vandafsaltning

Titandioxid nanopartikler med guld absorberer omkring 96% af solspektret og omdanner det til varme. Materialet kan accelerere fordampningen i afsaltningsanlæg op til 2,5 gange og kan spore farlige molekyler og forbindelser. Et internationalt forskerhold med repræsentanter fra Far Eastern Federal University (FEFU), ITMO Universitet, og den fjerne østlige gren af ​​det russiske videnskabsakademi, udgivet en relateret artikel i ACS anvendte materialer og grænseflader.

Adgang til rent vand er inkluderet i FN's 17 mål for bæredygtig udvikling. I mellemtiden Verdenssundhedsorganisationen (WHO), og Børnefonden (UNICEF) behandlede problemet i en rapport fra 2019, bemærker, at 2,2 milliarder mennesker mangler adgang til rent drikkevand.

En af måderne at skaffe rent drikkevand på er at afsalte havvand ved fordampning og efterfølgende koncentration af damp. For at opnå større produktion, der ønskes nye materialer til at fremskynde fordampningen. I løbet af de seneste fem år, dette er blevet et hastigt voksende forskningsfelt globalt.

Sådanne innovative materialer blev designet af FEFU, FEB RAS, og ITMO University videnskabsmænd slog sig sammen med kolleger fra Spanien, Japan, Bulgarien, og Hviderusland. Forskere hævder, at den kan bruges som en nanovarmer til vandfordampning og som en optisk detektor i sensorsystemer, der sporer de mindste spor af forskellige stoffer i en væske. Senere egenskaber kan være relevante for mikro-fluid biomedicinske systemer, laboratorie-på-chips, og miljøovervågning af forurenende stoffer, antibiotika, eller vira i vand.

"Ved laserbestråling, den oprindeligt krystallinske titaniumdioxid blev fuldstændig amorf og fik stærke og bredbåndslysabsorberende egenskaber. Dekoration og doping af materialet ved hjælp af guld nanoclusters lettede desuden synlig lysabsorption. I første omgang, vi havde til hensigt at bruge funktionen i forbindelse med solenergi, men indså hurtigt, at på grund af den nye amorfe struktur vil nanopartikler i det aktive lag af solceller omdanne den absorberede solenergi til varme frem for elektricitet. Men ideen kom til at bruge den som en slags nanovarmer i en afsaltningstank, som blev udført med succes under laboratorieforhold, " siger en af ​​forfatterne til avisen Alexander Kuchmizhak, en seniorforsker ved Institute of Automation and Control Processes i FEB RAS.

Materialet er opnået gennem en enkel og miljøvenlig teknologi med laserablation i en væske.

"Vi tilsatte titaniumdioxid nanopulvere til en væske indeholdende guldioner og bestrålede blandingen med laserimpulser af det synlige spektrum. Metoden kræver ikke dyrt udstyr, farlige kemikalier og kan nemt optimeres til at syntetisere unikt nanomateriale med gram pr. time hastighed, " sagde forskningsdeltager Stanislav Gurbatov, juniorforsker ved FEFU Polytekniske Institut (Skolen).

Bemærk, de oprindelige nanopartikler af titaniumdioxid absorberer ikke synlig laserstråling. Imidlertid, de katalyserer dannelsen af ​​guldklynger i nanostørrelse på deres overflade, hvilket stimulerer yderligere smeltning af titaniumdioxid. Adskillige hybride nanopartikler smelter sammen og danner en unik nanomorfologi, hvor guldnanoklynger er placeret både inde i og på overfladen af ​​titaniumdioxid.

Au-dekoreret amorft titaniumdioxid nanopowder fremstår helt sort for det menneskelige øje, da det effektivt absorberer lys inden for hele det synlige lysspektrum, ligesom et sort hul i rummet gør, og omdanner det til varme. I skarp kontrast, det kommercielle titaniumdioxidpulver, der anvendes som udgangsmateriale, er hvid.

Udvikling af nye materialer, herunder dem, der understøtter nye håndterbare fysiske principper til en bred vifte af applikationer, består af prioriterede områder af FEFU, som forskere arbejder på i tæt samarbejde med det russiske videnskabsakademi, indenlandske og udenlandske kolleger.