Учёные из Пенсильвании создают материалы для пассивного сбора воды из воздуха

В лаборатории химической инженерии Университета Пенсильвании был сделан удивительный научный прорыв, который может изменить подходы к сбору воды в условиях засушливых регионов. Команда ученых обнаружила новый класс наноструктурированных материалов, которые способны «извлекать» воду из воздуха и без внешних источников энергии собирать ее в порах, а затем выпускать капли на поверхность. Это открытие было сделано в ходе эксперимента, который изначально не был связан с поисками методов сбора воды.

Как пояснил один из авторов исследования, профессор химической и биомолекулярной инженерии университета Дэйон Ли, команда занималась тестированием сочетания гидрофильных нанопор и гидрофобных полимеров, когда один из студентов заметил появление капель воды на материале, с которым работали ученые. Это явление удивило исследователей, так как оно не вписывалось в существующие теории, и тогда они начали задаваться вопросами, что привело их к дальнейшему изучению.

Результатом работы стала разработка нового типа амфифильного нанопористого материала, который сочетает в себе компоненты, притягивающие воду (гидрофильные), и те, которые отталкивают воду (гидрофобные). Именно такая уникальная структура позволяет не только захватывать влагу из воздуха, но и отводить ее в виде капель, которые выходят на поверхность материала.

Обычно процесс конденсации воды на поверхности требует значительного снижения температуры или высоких уровней влажности. Традиционные методы сбора воды основаны на этих принципах, но они часто требуют дополнительных энергетических затрат. В отличие от этого, система, разработанная учеными, использует капиллярную конденсацию — процесс, при котором водяной пар конденсируется в крошечных порах даже при низкой влажности. Важно, что вода, попавшая в поры, не остается там, как это обычно бывает в подобных материалах. Она не только конденсируется внутри, но и выходит наружу в виде капель, что ранее не было замечено в подобных системах.

Профессор Амит Патель отметил, что в обычных нанопористых материалах вода остается внутри пор, но в их материале вода двигается: сначала конденсируется в порах, а затем выходит наружу в виде капель. Это поведение стало для исследователей настоящей загадкой, поскольку они сначала подумали, что это результат конденсации воды на поверхности, вызванный температурным градиентом в лаборатории. Однако дальнейшие эксперименты показали, что увеличение толщины материала действительно влияет на количество собранной воды, что доказало, что капли образуются внутри материала.

Самое удивительное, что эти капли не испаряются, как того требовали бы термодинамические законы. По словам Пателя, капли, в соответствии с их кривизной и размером, должны были испаряться, но этого не происходило — капли оставались стабильными на протяжении длительного времени.

Исследователи пришли к выводу, что их материал обладает уникальными свойствами благодаря идеально сбалансированным гидрофильным и гидрофобным компонентам. Вода, попавшая в поры, образует капли, которые соединены с «скрытыми резервуарами» в порах, которые постоянно пополняются водяным паром из воздуха. Это создает цикл конденсации и высвобождения воды, который можно считать обратной связью, благодаря этой оптимальной комбинации материалов.

Простой, но эффективный механизм, лежащий в основе этого открытия, делает материал чрезвычайно перспективным для использования в устройствах пассивного сбора воды в засушливых регионах, а также в системах охлаждения электроники или даже зданий, использующих естественное испарение. Материалы, созданные на основе этого подхода, производятся с использованием общих полимеров и наночастиц с применением масштабируемых методов производства, что делает их доступными для массового использования.

В дальнейшем ученые планируют оптимизировать баланс гидрофильных и гидрофобных компонентов, исследовать возможности масштабирования материала для реального применения и совершенствовать методы сбора капель с поверхности. Они также рассчитывают, что это открытие приведет к созданию технологий, способных обеспечить чистой водой в засушливых регионах или предоставить более устойчивые методы охлаждения, используя лишь водяной пар, уже присутствующий в воздухе.