Nieuw materiaal zou de hele dag water kunnen oogsten

Kleine structuren geïnspireerd op de vorm van cactusstekels zorgen ervoor dat een nieuw gemaakt materiaal zowel overdag als ’s nachts drinkbaar water uit de lucht kan halen, waarbij twee technologieën voor het oogsten van water in één worden gecombineerd.

Het materiaal, een micro-architectonisch hydrogelmembraan (daarover later meer), kan water produceren door zowel stoom-wateropwekking op zonne-energie als mistverzameling – twee onafhankelijke processen waarvoor doorgaans twee afzonderlijke apparaten nodig zijn. Een paper over het materiaal is gepubliceerd in Nature Communications op 14 mei.

Mistcollectie is precies hoe het klinkt. ‘S Nachts zijn laaggelegen wolken langs zeekusten zwaar met waterdruppels. Apparaten die kunnen samensmelten en die druppels kunnen verzamelen, kunnen mist in drinkwater veranderen.

Opwekking door zonne-energie is een andere techniek voor het opvangen van water. Het werkt vooral goed in kustgebieden omdat het ook in staat is tot waterzuivering, hoewel het overdag werkt in plaats van ’s nachts. Bij de methode zorgt warmte van de zon ervoor dat water verdampt tot stoom, waardoor water verdampt tot stoom, die kan worden gecondenseerd tot drinkwater.

Omdat de twee technologieën onder zulke verschillende omstandigheden werken, hebben ze doorgaans verschillende materialen en apparaten nodig om ze te laten werken. Nu zou een materiaal dat bij Caltech is ontwikkeld, ze kunnen combineren tot een enkel apparaat, dat 24 uur per dag schoon water kan genereren.

“Waterschaarste is een enorm probleem dat de mensheid zal moeten overwinnen naarmate de wereldbevolking blijft groeien”, zegt Julia R. Greer, de Ruben F. en Donna Mettler hoogleraar materiaalkunde, mechanica en medische techniek en directeur van de Fletcher Jones Foundation. het Kavli Nanoscience Institute. “Water beslaat driekwart van de wereld, maar slechts ongeveer de helft van een procent is beschikbaar als zoet water.”

Greer heeft haar carrière doorgebracht met het ontwikkelen van micro- en nano-architectonische materialen; dat wil zeggen materialen waarvan de vormen (gecontroleerd op elke lengteschaal, nanoscopisch en microscopisch) ze ongebruikelijke en potentieel nuttige eigenschappen geven. In dit geval werkte Greer samen met Ye Shi, voorheen een postdoctoraal onderzoeker bij Caltech en nu een postdoctoraal onderzoeker aan de UCLA, om een ​​membraan te maken van kleine stekels die op kerstbomen lijken, maar in feite zijn geïnspireerd door de vorm van cactusstekels.

“Cactussen zijn op unieke wijze aangepast om droge klimaten te overleven”, zegt Shi. “In ons geval trekken deze stekels, die we ‘microbomen’ noemen, microscopisch kleine druppeltjes water aan die in de lucht zweven, waardoor ze langs de basis van de wervelkolom kunnen glijden en samenvloeien met andere druppels tot relatief zware druppels die uiteindelijk samenkomen in een reservoir met water dat kan worden gebruikt. “

De stekels zijn opgebouwd uit een hydrogel; dat wil zeggen, een netwerk van hydrofiele (waterminnende) polymeren die van nature water aantrekken. Door hun kleine formaat kunnen ze op een flinterdun membraan worden gedrukt. Overdag absorbeert het hydrogelmembraan zonlicht om het daaronder opgesloten water op te warmen, dat stoom wordt. De stoom condenseert vervolgens weer op een doorzichtig deksel, waar het kan worden opgevangen. ‘S Nachts vouwt het transparante deksel zich op en wordt het hydrogelmembraan blootgesteld aan vochtige lucht om mist op te vangen. Als zodanig kan het materiaal water opvangen uit zowel stoom als mist.

Bij een werkingstest die ’s nachts werd uitgevoerd, konden monsters van de materialen met een oppervlakte van 55-125 vierkante centimeter ongeveer 35 milliliter water uit mist verzamelen. Bij tests gedurende de dag was het materiaal in staat om ongeveer 125 milliliter uit zonnestoom te verzamelen.

Het exacte ontwerp van het membraan is gemaakt met behulp van het ontwerpprogramma SolidWorks.

De hydrogel zelf is een polyvinylalcohol / polypyrrool (PVA / PPy) composietgel, een niet-giftig en flexibel materiaal dat wordt gebruikt in tal van toepassingen, waaronder condensatoren, draagbare spanning- en temperatuursensoren en batterijen.

Om het ontwerp van de microbomen te verfijnen, werkten Greer en Shi samen met Caltech’s Harry Atwater, Howard Hughes hoogleraar toegepaste fysica en materiaalkunde; en Ognjen Ilic, voorheen een postdoctoraal onderzoeker bij Caltech en nu Benjamin Mayhugh universitair docent werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Minnesota.

Met behulp van computermodellering berekende Ilic de warmteverdeling binnen de microbomen om de grootte en vorm te helpen bepalen die het meest effectief zouden zijn om water uit de lucht te halen. Met deze succesvolle proof-of-concept hoopt het team nu een privépartner te vinden die de technologie kan commercialiseren voor regio’s met waterschaarste.

“Het is echt inspirerend dat een relatief eenvoudig hydrofiel polymeermembraan kan worden gevormd in een morfologie die lijkt op de stekels van cactussen en in staat is tot een enorme verbetering in het opvangen van water. Ik denk dat evolutie echt werkt”, zegt Greer.

De Nature Communications papier is getiteld “All-day Fresh Water Harvesting by Microstructured Hydrogel Membranes.”