En hygroskopisk byggnadsställning skapad vid Rice University är en modifierad skog av kolnanorör som har förmågan att skörda vattenmolekyler från luften. Vattnet lagras tills det släpps antingen genom att klämma på det återanvändbara stället eller tills det långsamt förångas tillbaka till atmosfären. Upphovsman:Ajayan Group/Rice University
(Phys.org) - Om du inte vill dö av törst i öknen, vara som skalbaggen. Eller ha en nanorörskupa till hands. Ny forskning från forskare vid Rice University visade att skogar av kolnanorör kan göras för att skörda vattenmolekyler från torr ökenluft och lagra dem för framtida bruk.
Uppfinningen som de kallar en "hygroskopisk byggnadsställning" beskrivs detaljerat i ett nytt papper i tidskriften American Chemical Society Tillämpade material och gränssnitt .
Forskare i laboratoriet för rismaterialforskaren Pulickel Ajayan hittade ett sätt att efterlikna Stenocara -skalbaggen, som överlever i öknen genom att sträcka ut sina vingar för att fånga och dricka vattenmolekyler från den tidiga morgondimman.
De modifierade kolnanorörskogar som odlats genom en process som skapades vid Rice, ger nanorören en superhydrofob (vattenavvisande) botten och en hydrofil (vattenälskande) topp. Skogen lockar vattenmolekyler från luften och, eftersom sidorna är naturligt hydrofoba, fångar dem inuti.
"Det kräver ingen extern energi, och det håller vatten inne i skogen, "sade doktorand och första författare Sehmus Ozden." Du kan pressa skogen för att ta ut vattnet och använda materialet igen. "
Skogarna som odlas via vattenassisterad kemisk ångavsättning består av nanorör som bara mäter några få nanometer (miljarddels meter) över och cirka en centimeter långa.
Ett prov av hygroskopisk byggnadsställning gjord av en skog av kolnanorör vid Rice University samlar och lagrar vattenmolekyler från även torr luft. Molekylerna sjunker in i skogen uppifrån och ner, fylla upp till 80 procent av ställningen i fuktiga förhållanden (vänster), och mindre i tempererade (mitten) och torra (höger) förhållanden. Upphovsman:Ajayan Group/Rice University
Rislaget som leddes av Ozden avsatte ett superhydrofobiskt lager till toppen av skogen och tog sedan bort skogen från sin kiselbas, vända den och tillsatte ett lager av hydrofil polymer till andra sidan.
I tester, vattenmolekyler bundna till den hydrofila toppen och trängde in i skogen genom kapillärverkan och gravitation. (Luften inuti skogen komprimeras snarare än utvisas, forskarna antog.) När lite vatten binder sig till skogstaket, effekten multipliceras när molekylerna dras inuti, sprider sig över nanorören genom van der Waals styrkor, vätebindning och dipolinteraktioner. Molekylerna drar sedan in mer vatten.
Elektronmikroskopbilder visar den superhydrofoba (vattenavvisande) sidan (vänster) av en hygroskopisk byggnadsställning som skapades vid Rice University. Bilden till höger visar den hydrofila (vattenälskande) sidan. Upphovsman:Ajayan Group/Rice University
Forskarna testade flera varianter av sin kopp. Med bara det övre hydrofila skiktet, skogarna föll sönder när de utsattes för fuktig luft eftersom den obehandlade botten saknade polymerlänkarna som höll ihop toppen. Med en hydrofil topp och botten, skogen höll ihop men vatten rann rakt igenom.
Men med en hydrofob botten och hydrofil topp, skogen förblev intakt även efter att ha samlat 80 procent av sin vikt i vatten.
Mängden vattenånga som fångas beror på luftens luftfuktighet. Ett prov på 8 milligram (med en yta på 0,25 kvadratcentimeter) drog in 27,4 procent av sin vikt under 11 timmar i torr luft, och 80 procent över 13 timmar i fuktig luft. Ytterligare tester visade att skogarna avsevärt bromsade avdunstningen av det fångade vattnet.
Om det blir möjligt att odla nanorörskogar i stor skala, uppfinningen kan bli effektiv, effektiv vattenuppsamlingsanordning eftersom den inte kräver en extern energikälla, sa forskarna.
En behandlad skog av nanorör kan skörda vatten från torr luft, enligt forskare vid Rice University. Det lilla kvarteret, som innehåller miljontals kolnanorör, kan ändras med hydrofila och hydrofoba polymerer som gör det till en kopp som lockar och innehåller vattenmolekyler tills de behövs. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
Ozden sa att produktionen av kolnanorörsarrayer i en skala som är nödvändig för att uppfinningen ska kunna användas praktiskt fortfarande är en flaskhals. "Om det blir möjligt att göra storskaliga nanorörskogar, det kommer att vara ett mycket enkelt material att göra, " han sa.
Medförfattare är postdoktoral forskare Liehui Ge, doktorand Amelia Hart och senior fakultetskamrat Robert Vajtai, allt av ris; Risalumn Tharangattu Narayanan, en forskare vid Central Electrochemical Research Institute, Karaikudi, Indien; Hyunseung Yang, en doktorand vid Korea Institute of Science and Technology och tidigare gästforskare vid Rice; och Srividya Sridhar, en doktorand vid Delhi Technological University, Indien, och gästforskare vid Rice. Ajayan är Rices Benjamin M. och Mary Greenwood Anderson professor i maskinteknik och materialvetenskap och kemi, och ordförande för institutionen för materialvetenskap och nanoteknik.
