Een per ongeluk ontdekte klasse van nanostructureerde materialen kan water van lucht passief oogsten

Een serendipiteuze observatie in een chemisch engineeringlab bij Penn Engineering heeft geleid tot een verrassende ontdekking: een nieuwe klasse nanostructureerde materialen die water uit de lucht kunnen trekken, het in poriën kunnen verzamelen en op oppervlakken kunnen loslaten zonder externe energie.

Het onderzoek, gepubliceerd in De wetenschap vordertbeschrijft een materiaal dat de deur kan openen naar nieuwe manieren om water uit de lucht te verzamelen in dorre gebieden en apparaten die elektronica of gebouwen koelen met behulp van de kracht van verdamping.

Het interdisciplinaire team omvat Daeyeon Lee, Russell Pearce en Elizabeth Crimian Heuer Professor in Chemical and Biomolecular Engineering (CBE); Amish Patel, professor in CBE; Baekmin Kim, een postdoctorale geleerde in Lee’s Lab en eerste auteur; en Stefan Guldin, professor in complexe zachte materie aan de technische Universiteit van München.

“We probeerden niet eens water te verzamelen”, zegt Lee. “We werkten aan een ander project om de combinatie van hydrofiele nanoporiën en hydrofobe polymeren te testen toen Bharath Venkatesh, een voormalige Ph.D. -student in ons lab, merkte dat waterdruppeltjes op een materiaal dat we aan het testen waren. Het was niet logisch. Toen begonnen we vragen te stellen.”

Die vragen leidden tot een diepgaande studie van een nieuw type amfifiele nanoporeus materiaal: een die water liefhebbende (hydrofiel) en water-repling (hydrofobe) componenten combineert in een unieke nanoschaalstructuur. Het resultaat is een materiaal dat beide vocht uit de lucht vangt en tegelijkertijd dat vocht als druppeltjes eruit duwt.

Water-collecterende nanoporiën

Wanneer water condenseert op oppervlakken, vereist dit meestal een temperatuurdaling of zeer hoge luchtvochtigheid. Conventionele methoden voor het oogsten van water zijn afhankelijk van deze principes, die vaak energie -input vereisen om oppervlakken of een dichte mist te koelen om te vormen om passief water te verzamelen uit vochtige omgevingen. Maar het systeem van Lee en Patel werkt anders.

In plaats van te koelen, is hun materiaal afhankelijk van capillaire condensatie, een proces waarbij waterdamp in kleine poriën condenseert, zelfs bij lagere vochtigheid. Dit is niet nieuw. Wat nieuw is, is dat het water in hun systeem niet alleen in de poriën blijft gevangen, zoals meestal in dit soort materialen.

“In typische nanoporeuze materialen, zodra het water de poriën binnenkomt, blijft het daar”, legt Patel uit. “Maar in ons materiaal beweegt het water, die eerst in de poriën condenseert en vervolgens als druppels op het oppervlak opduikt. Dat is nog nooit eerder gezien in een systeem als dit, en in eerste instantie twijfelden we aan onze observaties.”

Een materiaal dat natuurkunde tart

Voordat ze begrepen wat er gebeurde, dachten de onderzoekers eerst dat water eenvoudig op het oppervlak van het materiaal condenseerde vanwege een artefact van hun experimentele opstelling, zoals een temperatuurgradiënt in het lab. Om dat uit te sluiten, verhoogden ze de dikte van het materiaal om te zien of de hoeveelheid water die op het oppervlak is verzameld zou veranderen.

“Als wat we observeerden, alleen te wijten was aan oppervlakte -condensatie, zou de dikte van het materiaal de hoeveelheid aanwezige water niet veranderen”, legt Lee uit.

Maar de totale hoeveelheid verzamelde water nam toe naarmate de dikte van de film toenam, waaruit bleek dat de waterdruppeltjes die op het oppervlak vormden, binnen het materiaal kwamen.

Nog verrassender: de druppeltjes verdampen niet snel, zoals de thermodynamica zou voorspellen.

“Volgens de kromming en de grootte van de druppels hadden ze moeten verdampen”, zegt Patel. “Maar dat waren ze niet; ze bleven langdurig stabiel.”

Met een materiaal dat mogelijk de natuurwetten in hun handen zou kunnen trotseren, stuurden Lee en Patel hun ontwerp naar een medewerker om te zien of hun resultaten repliceerbaar waren.

“We bestuderen poreuze films onder een breed scala van omstandigheden, met behulp van subtiele veranderingen in lichtpolarisatie om complexe nanoschaalfenomenen te onderzoeken”, zegt Guldin. “Maar we hebben nog nooit zoiets gezien. Het is absoluut fascinerend en zal duidelijk nieuw en opwindend onderzoek veroorzaken.”

Een gestabiliseerde cyclus van condensatie en afgifte

Het blijkt dat ze een materiaal hadden gecreëerd met precies de juiste balans tussen water-aantrekkende nanodeeltjes en plastic waterafspraken-polyethyleen-om een ​​nanodeeltjesfilm te maken met deze speciale eigenschap.

“We raken per ongeluk de sweet spot”, zegt Lee. “De druppeltjes zijn verbonden met verborgen reservoirs in de poriën hieronder. Deze reservoirs worden continu aangevuld met waterdamp in de lucht, waardoor een feedbacklus ontstaat die mogelijk is gemaakt door deze perfecte balans tussen waterminnende en waterafhankelijke materialen.”

Een platform voor het oogsten van passief water en meer

Naast het fysica-tartende gedrag, maakt de eenvoud van de materialen deel uit van wat ze zo veelbelovend maakt. Gemaakt van gemeenschappelijke polymeren en nanodeeltjes met behulp van schaalbare fabricagemethoden, kunnen deze films worden geïntegreerd in passieve wateroogstapparaten voor droge regio’s, oppervlakken voor koelelektronica of slimme coatings die reageren op de vochtigheid van de omgeving.

“We ontdekken nog steeds de mechanismen die spelen”, zegt Patel. “Maar het potentieel is opwindend. We leren van de biologie – hoe cellen en eiwitten water beheren in complexe omgevingen – en dat toepassen om betere materialen te ontwerpen.”

“Dit is precies wat Penn het beste doet, waardoor expertise in chemische engineering, materialenwetenschappen, chemie en biologie samenkomt om grote problemen op te lossen”, voegt Lee toe.

De volgende stappen omvatten het bestuderen van het optimaliseren van de balans van hydrofiele en hydrofobe componenten, het schalen van het materiaal voor het gebruik van real-world en het onderzoeken van hoe de verzamelde druppeltjes efficiënt af te rollen.

Uiteindelijk hopen de onderzoekers dat deze ontdekking zal leiden tot technologieën die schoon water aanbieden in droge klimaten of duurzamere koelmethoden met alleen de waterdamp die al in de lucht is.