Vattenavdunstning, som observerats när en vattenpöl försvinner en sommardag, är en anmärkningsvärt kraftfull process. Om det skulle utnyttjas, processen kan ge en ren energikälla för att driva mekaniska maskiner och enheter. I en nyutgiven tidning i Naturmaterial , ett internationellt team av forskare ledda av forskare vid Advanced Science Research Center vid Graduate Center, CUNY (CUNY ASRC) beskriver utvecklingen av formskiftande kristaller som direkt omvandlar förångningsenergi till kraftfulla rörelser.

Dessa vattenkänsliga material skapades genom att använda enkla varianter av biologiska byggstenar, kända som tripeptider, för att skapa kristaller som samtidigt är styva och formbara. Materialen är sammansatta av tredimensionella mönster av porer i nanoskala där vatten binder tätt, och dessa porer är varvat med ett molekylärt nätverk av styva och flexibla regioner. När luftfuktigheten sänks och når ett kritiskt värde, vattnet kommer ut från porerna vilket leder till en kraftig sammandragning av det sammankopplade nätverket. Detta resulterar i att kristallerna tillfälligt tappar sina ordnade mönster tills fukten återställs och kristallerna återtar sin ursprungliga form. Denna nydesignade process kan upprepas om och om igen och ger upphov till en anmärkningsvärt effektiv metod för att skörda förångningsenergi för att utföra mekaniskt arbete.

"Vi skapade i princip en ny typ av ställdon, som drivs av vattenavdunstning, " sa Graduate Center Ph.D.-student Roxana Piotrowska, studiens första författare och en forskare vid CUNY ASRC Nanoscience Initiative. "Genom att observera dess aktivitet har vi kunnat identifiera de grundläggande mekanismerna för hur vattenkänsliga material effektivt kan omvandla avdunstning till mekanisk energi."

"Vårt arbete möjliggör direkt observation av materialens förångningsdrivna aktivering i molekylär skala, '' sade studiens motsvarande författare Xi Chen, vars labb tillsammans med CUNY ASRC Nanoscience Initiative ledde forskningen. "Genom att lära sig hur man effektivt utvinner energi från avdunstning, och förvandla det till rörelse, bättre och mer effektiva ställdon kan designas för många applikationer, inklusive anordningar för skörd av förångningsenergi.''

"Viktigt, våra designade kristaller är tillverkade av exakt samma byggstenar som proteiner är gjorda av, men de är radikalt förenklade och som ett resultat, deras egenskaper kan justeras och rationellt optimeras för denna applikation, " sa CUNY ASRC Nanoscience Initiative Director Rein Ulijn, vars labb, som ledde arbetet, ansvarar för de biomolekylära designaspekterna av forskningen. "Det fina med att använda biologiska byggstenar för att skapa denna nya teknik är att de resulterande morfogena kristallerna är biokompatibla, biologiskt nedbrytbar, och kostnadseffektivt."

Genom att använda en kombination av laboratoriebaserade experiment och datorsimuleringar, forskarna kunde identifiera och studera de faktorer som styr aktiveringen av dessa kristaller. Detta tillvägagångssätt resulterade i nya insikter som informerar utformningen av mer effektiva sätt att använda förångning för en mängd olika applikationer, som kan innefatta robotkomponenter eller mekaniska mikro- och nanomaskiner som drivs av vattenavdunstning.