Μια τυχαία παρατήρηση σε εργαστήριο Χημικής Μηχανικής στο Penn Engineering οδήγησε σε μια εντυπωσιακή ανακάλυψη: την ανάπτυξη ενός νέου τύπου νανοδομημένων υλικών που μπορούν να συλλέγουν νερό από την ατμόσφαιρα, να το συγκεντρώνουν στους πόρους τους και να το αποδίδουν στην επιφάνεια χωρίς καμία εξωτερική πηγή ενέργειας. Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Science Advances, έγινε από διεπιστημονική ομάδα που περιλαμβάνει τους Daeyeon Lee, Amish Patel, Baekmin Kim και Stefan Guldin.
Όπως παραδέχεται ο ίδιος ο Lee, η ανακάλυψη έγινε εντελώς τυχαία:
Δεν προσπαθούσαμε καν να συλλέξουμε νερό. Δοκιμάζαμε έναν συνδυασμό υδρόφιλων νανοπόρων και υδρόφοβων πολυμερών όταν ο Bharath Venkatesh, τότε διδακτορικός φοιτητής, παρατήρησε σταγονίδια νερού να εμφανίζονται σε ένα υλικό υπό δοκιμή. Δεν είχε νόημα. Έτσι ξεκινήσαμε να διερευνούμε.
Αυτή η διερεύνηση αποκάλυψε ένα νέο είδος αμφιφιλικού νανοπορώδους υλικού, το οποίο συνδυάζει ιδανικά υδρόφιλες και υδρόφοβες ιδιότητες. Η μοναδική αυτή δομή σε νανοκλίμακα επιτρέπει στο υλικό όχι μόνο να παγιδεύει την υγρασία από τον αέρα, αλλά και να την απελευθερώνει στην επιφάνεια με τη μορφή σταγονιδίων — κάτι που δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ σε αντίστοιχα συστήματα.
Σε αντίθεση με τις παραδοσιακές μεθόδους συλλογής νερού που απαιτούν χαμηλές θερμοκρασίες ή υψηλή υγρασία, το νέο υλικό λειτουργεί μέσω της φαινομένου της τριχοειδούς συμπύκνωσης. Το νερό δηλαδή συμπυκνώνεται εντός μικροσκοπικών πόρων ακόμα και σε μέτρια επίπεδα υγρασίας. Το καινοτόμο στοιχείο είναι ότι το νερό δεν παραμένει παγιδευμένο στους πόρους, όπως συνηθίζεται, αλλά μετακινείται και εμφανίζεται στην επιφάνεια ως σταγονίδια.
«Σε τυπικά νανοπορώδη υλικά, το νερό παραμένει εγκλωβισμένο. Στο δικό μας, ωστόσο, μεταφέρεται στην επιφάνεια. Αυτό δεν το έχουμε ξαναδεί και στην αρχή δυσκολευτήκαμε να πιστέψουμε τις παρατηρήσεις μας», εξηγεί ο Amish Patel.
Αρχικά οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι ίσως υπήρχε σφάλμα στην πειραματική διαδικασία, όπως κάποια διαφορά θερμοκρασίας. Όμως, όταν αύξησαν το πάχος του υλικού και είδαν ότι η ποσότητα του νερού στην επιφάνεια αυξανόταν ανάλογα, επιβεβαίωσαν ότι η προέλευση του νερού ήταν εσωτερική.
Ακόμη πιο εντυπωσιακό ήταν το γεγονός ότι τα σταγονίδια δεν εξατμίζονταν γρήγορα, όπως προβλέπει η θερμοδυναμική. «Με βάση το μέγεθος και την καμπυλότητα των σταγονιδίων, θα έπρεπε να εξαφανιστούν. Κι όμως παρέμεναν σταθερά για αρκετή ώρα», σημειώνει ο Patel.
Η ομάδα σε συνεργασία με τον Stefan Guldin από το Technical University of Munich επιβεβαίωσε ότι πρόκειται για ένα φαινόμενο που δεν είχε παρατηρηθεί ξανά. «Μελετούμε τέτοια φιλμ σε διάφορες συνθήκες, αλλά αυτό που είδαμε ήταν πρωτοφανές», σχολιάζει ο Guldin.
Το μυστικό του υλικού βρίσκεται στην τέλεια ισορροπία μεταξύ υδρόφιλων νανοσωματιδίων και πολυαιθυλενίου, ενός υδρόφοβου πολυμερούς. Η ισορροπία αυτή επιτρέπει τη δημιουργία ενός «κρυφού» αποθέματος νερού μέσα στους πόρους, το οποίο συνεχώς ανανεώνεται από τον υδρατμό της ατμόσφαιρας, δημιουργώντας έναν σταθερό κύκλο συλλογής και απελευθέρωσης.
Η απλότητα της δομής και η χρήση κοινών υλικών καθιστούν αυτό το φιλμ εξαιρετικά υποσχόμενο για πρακτικές εφαρμογές. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε παθητικές συσκευές συλλογής νερού σε ξηρές περιοχές, σε επιφάνειες για ψύξη ηλεκτρονικών ή κτιρίων μέσω εξάτμισης, ακόμη και σε έξυπνες επιφάνειες που ανταποκρίνονται στη σχετική υγρασία.
Οι ερευνητές σκοπεύουν τώρα να βελτιστοποιήσουν τη σύσταση του υλικού, να το προσαρμόσουν για βιομηχανική παραγωγή και να διερευνήσουν πώς μπορούν να ενισχύσουν την απορροή των σταγονιδίων από τις επιφάνειες.
Με αυτή την ανακάλυψη, ανοίγει ο δρόμος για βιώσιμες τεχνολογίες που βασίζονται αποκλειστικά στην υπάρχουσα υγρασία της ατμόσφαιρας, μια ελπιδοφόρα λύση για την αντιμετώπιση της λειψυδρίας και της ενεργειακής κατανάλωσης.
[via]
