Новый ультралёгкий наноматериал извлекает из воздуха в 3 раза больше воды, чем его собственный вес
Международная команда исследователей разработала сверхлёгкий наноматериал, способный извлекать из воздуха более чем в три раза больше воды по сравнению с собственным весом, причём значительно быстрее существующих технологий.
Речь идёт об аэрогеле из оксида графена, обогащённого ионами кальция, структура которого была оптимизирована для многократного увеличения поглощающей способности. В перспективе эта технология может быть применена в регионах с ограниченным доступом к питьевой воде.
Согласно докладу ООН, около 2,2 миллиарда человек в мире не имеют безопасного доступа к питьевой воде. Однако, помимо наземных источников, таких как озера и реки, вода присутствует практически во всех природных средах. Например, по оценкам, в атмосфере содержится около 13 миллионов гигалитров воды во взвешенном состоянии. Хотя это лишь небольшая часть мировых ресурсов пресной воды, данный объем остается значительным и потенциально пригодным для использования.
Для решения проблем, связанных с обеспечением питьевой водой, в последние годы исследуются технологии, способные извлекать воду из воздуха. Обычно они основаны на твердо-жидкофазных интерфейсах, использующих водородные связи для захвата молекул воды. Однако свойства этих структур изучены недостаточно, что затрудняет повышение их эффективности.
Недавние исследования показали, что графеновые капилляры — двумерные сети атомов углерода толщиной в один атом — с системами водородных связей являются перспективными материалами для сбора атмосферной влаги. В частности, оксид графена продемонстрировал высокий потенциал в адсорбции водяного пара.
Высокий потенциал для сбора атмосферной влаги
Новое исследование, проведенное под руководством Центра передового опыта в области углеродной науки и инноваций при Австралийском исследовательском совете (ARC COE-CSI), направлено на усовершенствование оксида графена для дальнейшего повышения его адсорбционной способности.
«Мы раскрыли научные основы процесса адсорбции влаги и роль водородных связей», — пояснил в заявлении Лимин Дай, директор COE-CSI и соавтор исследования.
«Эти знания помогут обеспечить питьевой водой значительную часть из 2,2 миллиарда людей, не имеющих к ней доступа, что демонстрирует социальную значимость совместных исследований, проводимых нашим центром», — добавил он.
Большинство водных сред содержат катионы — положительно заряженные ионы. Однако предыдущие технологии углерод-кислородных интерфейсов, разработанные для извлечения воды, работали преимущественно в отсутствие катионов, что ограничивало их эффективность. Исследовательская группа обратилась к оксиду графена не только из-за его высокой способности адсорбировать водяной пар, но и благодаря возможности легкого внедрения катионов в его структуру. Чтобы определить наиболее эффективную конфигурацию, ученые провели сложное компьютерное моделирование с использованием суперкомпьютера Национальной вычислительной инфраструктуры Австралии (NCI) в Канберре.
Кальций и кислород: ключевая синергия для поглощения воды
«Симуляции на суперкомпьютере позволили расшифровать сложные синергетические взаимодействия на молекулярном уровне. Эти данные теперь помогают нам проектировать еще более эффективные системы для получения воды из атмосферы, предлагая устойчивое решение растущей проблемы доступности пресной воды в Австралии и во всем мире», — подчеркнул Амир Картон, профессор Университета Новой Англии и соавтор исследования.
Кальций, известный своими водоадсорбционными свойствами, был внедрен в структуру оксида графена в виде ионов. Адсорбционная способность такого материала зависит от прочности и стабильности водородных связей. Согласно результатам, опубликованным в журнале , введение ионов кальция значительно увеличило эту способность.
По словам исследователей, это связано с синергетическим взаимодействием между ионами кальция и атомами кислорода, которое усиливает стабильность водородных связей между молекулами воды и кальцием.
«Мы измерили количество воды, адсорбированной на чистом оксиде графена, и получили значение X. Затем измерили адсорбцию на самом кальции и получили Y. Когда же мы измерили адсорбцию на оксиде графена с внедренным кальцием, результат оказался значительно выше, чем X + Y», — объяснил Сяоцзюнь Рен из Школы материаловедения и инженерии Университета Нового Южного Уэльса (UNSW), ведущий автор исследования.
Ультралёгкий аэрогель для конденсации влаги
Чтобы ещё больше увеличить поглотительную способность материала, исследователи превратили его в аэрогель — одно из самых лёгких известных твёрдых веществ. Его невесомость обусловлена наличием нано- и микрометровых пор. Эта губчатая структура также способствует процессам адсорбции и десорбции.