Случайно обнаружен материал, пассивно собирающий воду из воздуха

Продвинутые материалы

Редакционная группа сайта «Технологические инновации» - 06/03/2025

Производительность водосборника удивляет. [Изображение: Baekmin Q. Kim et al. - 10.1126/sciadv.adu8349]

Непреднамеренно, но приятно

Случайное наблюдение во время лабораторного эксперимента привело к неожиданному и удивительному открытию: появился новый класс материалов, способных собирать воду из влажности окружающего воздуха, сохранять ее в своих порах, а затем выделять чистую воду без необходимости использования какой-либо внешней энергии.

Извлечение воды из влаги, содержащейся в воздухе, превратилось из диковинки в работу бесчисленных команд по всему миру. Но Бэкмин Ким и его коллеги из Пенсильванского университета не скрывают этого: они над этим не работали.

«Мы даже не пытались собирать воду», — говорит профессор Даеён Ли. «Мы работали над другим проектом, тестируя комбинацию гидрофильных нанопор и гидрофобных полимеров, когда Бхарат Венкатеш, бывший аспирант нашей лаборатории, заметил капли воды, появляющиеся на материале, который мы тестировали. Это не имело смысла. Вот тогда мы и начали задумываться».

Вопросы привели к открытию нового типа амфифильного нанопористого материала, материала, который объединяет влаголюбивые (гидрофильные) и водоотталкивающие (гидрофобные) компоненты в одной наноструктуре. Результатом является материал, который захватывает влагу из воздуха и одновременно выделяет ее в виде капель.

«В типичных нанопористых материалах вода, попадая в поры, остается там», — сказал член команды Амиш Патель. «Но в нашем материале вода движется, сначала конденсируясь внутри пор, а затем выходя на поверхность в виде капель. Это никогда ранее не наблюдалось в такой системе, и мы изначально скептически отнеслись к нашим наблюдениям».

Внутренняя структура материала, который собирает воду из влажности атмосферного воздуха. [Изображение: Baekmin Q. Kim et al. - 10.1126/sciadv.adu8349]

Взаимодействие между материалами

Первоначальное подозрение заключалось в том, что вода конденсировалась на поверхности материала из-за температурного градиента в лаборатории. Но общее количество собранной воды увеличивалось по мере того, как исследователи увеличивали толщину пленки, с которой они работали, доказывая, что капли воды, образующиеся на поверхности, исходили из материала, а не из обычной поверхностной конденсации.

Еще более удивительно, что капли не испарялись быстро, как предсказывала термодинамика. «Судя по кривизне и размеру капель, они должны были испаряться», — сказал Патель. «Но этого не произошло; они оставались стабильными в течение длительного времени».

Поскольку материал бросал вызов физике, команда приступила к его глубокому изучению, от геометрии пор материала до его взаимодействия со светом. Именно тогда они обнаружили, что непреднамеренно создали материал с точным балансом наночастиц, которые притягивают воду, и частиц пластика, полиэтилена, которые отталкивают воду.

«Мы случайно попали в точку», — сказал Ли. «Капли соединены со скрытыми резервуарами в порах ниже. Эти резервуары постоянно пополняются водяным паром в воздухе, создавая обратную связь, которая стала возможной благодаря этому идеальному балансу водолюбивых и водоотталкивающих материалов».

Чтобы разобраться в происходящем, потребовалось сотрудничество с другими командами. [Изображение: Baekmin Q. Kim et al. - 10.1126/sciadv.adu8349]

Приложения

Помимо его поведения, бросающего вызов физике, простота материала делает его очень многообещающим. Изготовленные из обычных полимеров и наночастиц с использованием масштабируемых методов производства, эти пленки могут быть интегрированы в пассивные устройства сбора воды для засушливых регионов, охлаждающие поверхности для электроники или интеллектуальные покрытия, реагирующие на влажность окружающей среды.

«Мы все еще выясняем механизмы работы», — сказал Патель. «Но потенциал захватывающий. Мы изучаем биологию — как клетки и белки управляют водой в сложных средах — и применяем это для разработки лучших материалов».

Теперь в планы входит изучение того, как оптимизировать баланс гидрофильных и гидрофобных компонентов, как масштабировать материал для использования в реальных условиях, а также исследование того, как заставить собранные капли эффективно скатываться с поверхностей, чтобы сборщик влаги и воды мог работать в полностью пассивном режиме.

Другие новости о:

Больше тем