Beskidt at drikkeligt:​​Ingeniører udvikler nye hybride nanomaterialer til at transformere vand

Grafenoxid er blevet hyldet som et veritabelt vidundermateriale; når det inkorporeres i nanocelluloseskum, det laboratorieskabte stof er lys, stærk og fleksibel, at lede varme og elektricitet hurtigt og effektivt.

Nu, et team af ingeniører ved Washington University i St. Louis har fundet en måde at bruge grafenoxidplader til at omdanne snavset vand til drikkevand, og det kunne være en global game-changer.

"Vi håber, at for lande, hvor der er rigeligt sollys, såsom Indien, du vil være i stand til at tage noget snavset vand, fordamp det ved hjælp af vores materiale, og opsaml ferskvand, " sagde Srikanth Singamaneni, lektor i maskinteknik og materialevidenskab ved School of Engineering &Applied Science.

Den nye tilgang kombinerer bakterieproduceret cellulose og grafenoxid for at danne et to-lags bioskum. Et papir, der beskriver forskningen, er tilgængeligt online i Avancerede materialer .

"Processen er ekstremt enkel, "Singamaneni sagde. "Det skønne er, at cellulosefibernetværket i nanoskala produceret af bakterier har en fremragende evne til at flytte vandet fra hovedmassen til den fordampende overflade, mens den minimerer varmen, der kommer ned, og det hele er produceret i ét skud.

"Designet af materialet er nyt her, " sagde Singamaneni. "Du har en to-lags struktur med lysabsorberende grafenoxidfyldt nanocellulose i toppen og uberørt nanocellulose i bunden. Når du suspenderer det hele på vand, vandet er faktisk i stand til at nå den øverste overflade, hvor der sker fordampning.

"Lys stråler ovenpå det, og det omdannes til varme på grund af grafenoxidet - men varmeafgivelsen til bulkvandet nedenunder minimeres af det uberørte nanocelluloselag. Du ønsker ikke at spilde varmen; du ønsker at begrænse varmen til det øverste lag, hvor fordampningen faktisk finder sted."

Cellulose i bunden af ​​det to-lags bioskum fungerer som en svamp, trække vand op til grafenoxidet, hvor der sker hurtig fordampning. Det resulterende ferskvand kan nemt opsamles fra toppen af ​​arket.

Processen, hvorved det to-lags bioskum faktisk dannes, er også ny. På samme måde laver en østers en perle, bakterierne danner lag af nanocellulosefibre, hvori graphenoxidflagerne bliver indlejret.

"Mens vi dyrker bakterierne til cellulosen, vi tilføjede grafenoxidflagerne i selve mediet, " sagde Qisheng Jiang, hovedforfatter af papiret og en kandidatstuderende i Singamaneni-laboratoriet.

"Graphenoxidet bliver indlejret, efterhånden som bakterierne producerer cellulosen. På et bestemt tidspunkt under processen, vi stopper, fjern mediet med grafenoxidet og genindfør frisk medium. Det producerer det næste lag af vores skum. Grænsefladen er meget stærk; mekanisk, den er ret robust."

Det nye bioskum er også ekstremt let og billigt at lave, gør det til et levedygtigt værktøj til vandrensning og afsaltning.

"Cellulose kan produceres i massiv skala, " sagde Singamaneni, "og grafenoxid er ekstremt billigt - folk kan producere tons, virkelig tons, af det. Begge materialer, der går ind i dette, er meget skalerbare. Så man kan forestille sig at lave enorme plader af bioskummet."

"Egenskaberne af dette skummateriale, som vi syntetiserede, har egenskaber, der forbedrer solenergihøst. Således, det er mere effektivt til at rense vand, " sagde Pratim Biswas, Lucy og Stanley Lopata professor og formand for Institut for Energi, Miljø- og Kemiteknik.

"Synteseprocessen tillader også tilføjelse af andre nanostrukturerede materialer til skummet, som vil øge ødelæggelseshastigheden af ​​bakterier og andre forurenende stoffer, og gør det sikkert at drikke. Vi vil også udforske andre applikationer til disse nye strukturer."