Uma observação acidental em um laboratório de engenharia química da Penn Engineering levou a uma descoberta surpreendente: uma nova classe de materiais nanoestruturados que podem puxar a água do ar, coletá -la nos poros e liberá -la em superfícies sem a necessidade de energia externa. A pesquisa, publicada em Avanços científicosfoi conduzido por uma equipe interdisciplinar, incluindo Daeyeon Lee, Russell Pearce e Elizabeth Crimian Heuer Professor em Engenharia Química e Biomolecular (CBE), Amish Patel, Professor de CBE, Baekmin Kim, um Slood Scholar Scholar no Laboratório de Lee e primeiro autor, e STEFAN Guln, professor, professor de documental em Laborn em Lee, e o primeiro autor e o primeiro gul do Guldin, o técnico do Sãono, no SolidCoral Mun. O trabalho deles descreve um materials que poderia abrir a porta para novas maneiras de coletar água do ar em regiões e dispositivos áridos que esfriam eletrônicos ou edifícios usando o poder da evaporação.
“Nós nem estávamos tentando coletar água”, diz Lee. “Estávamos trabalhando em outro projeto testando a combinação de nanoporos hidrofílicos e polímeros hidrofóbicos quando Bharath Venkatesh, um ex -aluno de doutorado em nosso laboratório, notou gotículas de água aparecendo em um materials que estávamos testando. Não fazia sentido. Foi quando começamos a fazer perguntas”.
Essas perguntas levaram a um estudo aprofundado de um novo tipo de materials nanoporoso anfifílico: um que combina componentes que amam a água (hidrofílica) e a repeleza da água (hidrofóbica) em uma estrutura em nanoescala única. O resultado é um materials que captura a umidade do ar e simultaneamente empurra essa umidade como gotículas.
Nanoporos coletores de água
Quando a água condensa em superfícies, geralmente requer uma gota de temperatura ou níveis de umidade muito altos. Os métodos convencionais de colheita de água dependem desses princípios, geralmente exigindo entrada de energia para relaxar as superfícies ou uma névoa densa para se formar para coletar água passivamente de ambientes úmidos. Mas o sistema de Lee e Patel funciona de maneira diferente.
Em vez de resfriar, seu materials depende da condensação capilar, um processo em que o vapor de água condensa dentro de poros minúsculos, mesmo com menor umidade. Isso não é novo. O que há de novo é que, em seu sistema, a água não fica presa apenas dentro dos poros, como geralmente faz nesses tipos de materiais.
“Em materiais nanoporosos típicos, uma vez que a água entra nos poros, ela fica lá”, explica Patel. “Mas em nosso materials, a água se transfer, primeiro condensando dentro dos poros, depois emergindo na superfície como gotículas. Isso nunca foi visto antes em um sistema como esse e, a princípio, duvidamos de nossas observações”.
Um materials que desafia a física
Antes de entender o que estava acontecendo, os pesquisadores pensaram primeiro que a água estava simplesmente condensando na superfície do materials devido a um artefato de sua configuração experimental, como um gradiente de temperatura no laboratório. Para descartar isso, eles aumentaram a espessura do materials para ver se a quantidade de água coletada na superfície mudaria.
“Se o que estávamos observando period devido apenas à condensação da superfície, a espessura do materials não mudaria a quantidade de água presente”, explica Lee.
Porém, a quantidade whole de água coletada aumentou à medida que a espessura do filme aumentava, provando que as gotículas de água que se formam na superfície vieram de dentro do materials.
Ainda mais surpreendente: as gotículas não evaporaram rapidamente, como preveria a termodinâmica.
“De acordo com a curvatura e o tamanho das gotículas, elas deveriam ter evaporar”, diz Patel. “Mas eles não eram; eles permaneceram estáveis por longos períodos”.
Com um materials que poderia potencialmente desafiar as leis da física em suas mãos, Lee e Patel enviaram seu design a um colaborador para ver se seus resultados foram replicáveis.
“Estudamos filmes porosos sob uma ampla gama de condições, usando mudanças sutis na polarização leve para investigar fenômenos complexos em nanoescala”, diz Guldin. “Mas nunca vimos nada assim. É absolutamente fascinante e claramente desencadeará pesquisas novas e emocionantes”.
Um ciclo estabilizado de condensação e liberação
Acontece que eles haviam criado um materials com o equilíbrio certo de nanopartículas de extração de água e plástico de reação a água-polietileno-para criar um filme de nanopartículas com esta propriedade especial.
“Nós acidentalmente atingimos o ponto supreme”, diz Lee. “As gotículas estão conectadas a reservatórios ocultos nos poros abaixo. Esses reservatórios são reabastecidos continuamente do vapor de água no ar, criando um ciclo de suggestions possibilitado por esse equilíbrio perfeito de materiais que dizem água e repelevadores de água”.
Uma plataforma para a colheita passiva de água e mais
Além do comportamento que desafia a física, a simplicidade dos materiais faz parte do que os torna tão promissores. Feito de polímeros e nanopartículas comuns usando métodos de fabricação escalável, esses filmes podem ser integrados a dispositivos passivos de colheita de água para regiões áridas, superfícies para refrigeração eletrônica ou revestimentos inteligentes que respondem à umidade ambiente.
“Ainda estamos descobrindo os mecanismos em jogo”, diz Patel. “Mas o potencial é emocionante. Estamos aprendendo com a biologia – como as células e proteínas gerenciam água em ambientes complexos – e aplicando isso para projetar melhores materiais”.
“É exatamente isso que a Penn faz de melhor, reunindo experiência em engenharia química, ciência de materiais, química e biologia para resolver grandes problemas”, acrescenta Lee.
As próximas etapas incluem o estudo de como otimizar o equilíbrio dos componentes hidrofílicos e hidrofóbicos, escalar o materials para uso do mundo actual e investigar como fazer com que as gotículas coletadas rolem superfícies com eficiência.
Por fim, os pesquisadores esperam que essa descoberta leve a tecnologias que oferecem água limpa em climas secos ou métodos de resfriamento mais sustentáveis usando apenas o vapor de água já no ar.
Este trabalho foi apoiado pela Nationwide Science Basis concede NSF-2309043 e NSF-1933704, uma concessão do Departamento de Energia (DE-SC0021241), um Ph.D. A bolsa de estudos, um programa de bolsas de pesquisa da Nationwide Science Basis, concessão (DGE-2236662), uma concessão da Alfred P. Sloan Analysis Basis (FG-2017-9406) e uma concessão da Fundação Camille & Henry Dreyfus (TG-19-033).
