Nyt materiale kunne høste vand hele dagen lang

Små strukturer inspireret af formen af ​​kaktusrygsøjler gør det muligt for et nyskabt materiale at samle drikkevand fra luften både dag og nat, kombinere to vandhøstningsteknologier til én.

Materialet, en mikroarkitekteret hydrogelmembran (mere om det senere), kan producere vand gennem både soldamp-vand-generering og tågeopsamling - to uafhængige processer, der typisk kræver to separate enheder. Et papir om materialet blev offentliggjort i Naturkommunikation den 14. maj.

Tågeopsamling er præcis, hvad det lyder som. Om natten, lavtliggende skyer langs havets kyster er tunge med vanddråber. Enheder, der kan smelte sammen og samle disse dråber, kan forvandle tåge til drikkevand.

Generering af soldamp er en anden vandopsamlingsteknik. Det fungerer især godt i kystområder, fordi det også er i stand til vandrensning, selvom det virker om dagen i stedet for om natten. I metoden varme fra solen får vand til at fordampe til damp, som får vand til at fordampe til damp, som kan kondenseres til drikkevand.

Fordi de to teknologier fungerer under så forskellige forhold, de kræver typisk forskellige materialer og enheder for at få dem til at fungere. Nu, et materiale udviklet hos Caltech kunne kombinere dem til en enkelt enhed, arbejder på at generere rent vand 24 timer i døgnet.

"Vandmangel er et stort problem, som menneskeheden bliver nødt til at overvinde, efterhånden som verdens befolkning fortsætter med at vokse, " siger Julia R. Greer, Ruben F. og Donna Mettler professor i materialevidenskab, Mekanik og medicinsk teknik og Fletcher Jones Foundation Direktør for Kavli Nanoscience Institute. "Vand dækker tre fjerdedele af kloden, men kun omkring halvdelen af ​​en procent er tilgængeligt ferskvand."

Greer har brugt sin karriere på at udvikle mikro- og nanoarkitekterede materialer; det er, materialer, hvis selve former (kontrolleret på hver længdeskala, nanoskopiske og mikroskopiske) giver dem usædvanlige og potentielt nyttige egenskaber. I dette tilfælde, Greer samarbejdede med Ye Shi, tidligere postdoc ved Caltech og nu postdoc ved UCLA, at skabe en membran af opstillede små rygsøjler, der ligner juletræer, men i virkeligheden er inspireret af formen af ​​kaktuspigge.

"Kaktusser er unikt tilpasset til at overleve tørt klima, "Siger Shi. "I vores tilfælde, disse rygsøjler, som vi kalder 'mikrotræer, "tiltræk mikroskopiske dråber af vand, der er suspenderet i luften, giver dem mulighed for at glide ned af bunden af ​​rygsøjlen og smelte sammen med andre dråber til relativt tunge dråber, der til sidst konvergerer til et reservoir af vand, der kan udnyttes."

Ryggene er bygget ud af en hydrogel; det er, et netværk af hydrofile (vandelskende) polymerer, der naturligt tiltrækker vand. På grund af deres lille størrelse, de kan printes på en wafertynd membran. I løbet af dagen, hydrogelmembranen absorberer sollys for at opvarme vand fanget under den, som bliver til damp. Dampen rekondenserer derefter på et gennemsigtigt låg, hvor det kan afhentes. Om natten, det gennemsigtige dæksel foldes op, og hydrogelmembranen udsættes for fugtig luft for at fange tåge. Som sådan, materialet kan høste vand fra både damp og tåge.

I en operationstest udført i løbet af natten, prøver af materialerne fra 55-125 kvadratcentimeter i areal var i stand til at opsamle omkring 35 milliliter vand fra tåge. I test i løbet af dagen, materialet var i stand til at opsamle omkring 125 milliliter fra soldamp.

Det nøjagtige design af membranen blev skabt ved hjælp af designprogrammet SolidWorks.

Hydrogelen i sig selv er en polyvinylalkohol/polypyrrol (PVA/PPy) kompositgel, et ikke-giftigt og fleksibelt materiale, der anvendes i adskillige applikationer, herunder i kondensatorer, bærbare belastnings- og temperatursensorer, og batterier.

For at finjustere designet af mikrotræerne, Greer og Shi arbejdede med Caltechs Harry Atwater, Howard Hughes professor i anvendt fysik og materialevidenskab; og Ognjen Ilic, tidligere postdoc ved Caltech og nu Benjamin Mayhugh Assistant Professor of Mechanical Engineering ved University of Minnesota.

Ved hjælp af computermodellering, Ilic beregnede varmefordelingen i mikrotræerne for at hjælpe med at definere den størrelse og form, der ville være mest effektiv til at trække vand fra luften. Med dette vellykkede proof-of-concept, teamet håber nu at finde en privat partner, der er i stand til at kommercialisere teknologien til områder med knaphed på vand.

"Det er virkelig inspirerende, at en relativt simpel hydrofil polymermembran kan formes i en morfologi, der ligner kaktusrygge og være i stand til en enorm forbedring i vandopsamling. Jeg tror, ​​evolution virkelig virker, " siger Greer.

Det Naturkommunikation papiret har titlen "Hurst af ferskvand hele dagen med mikrostrukturerede hydrogelmembraner."