Små strukturer inspirerade av formen på kaktusryggar tillåter ett nyskapat material att samla drickbart vatten från luften både dag och natt, kombinera två vattenupptagningstekniker till en.

Materialet, ett mikrobyggt hydrogelmembran (mer om det senare), kan producera vatten genom både generering av solångvatten och dimsamling – två oberoende processer som vanligtvis kräver två separata enheter. En artikel om materialet publicerades i Naturkommunikation den 14 maj.

Dimsamling är precis vad det låter som. På natten, lågt liggande moln längs havets kuster är tunga av vattendroppar. Enheter som kan smälta samman och samla upp dessa droppar kan förvandla dimma till dricksvatten.

Generering av solånga är en annan vattenuppsamlingsteknik. Det fungerar särskilt bra i kustområden eftersom det också kan vattenrening, även om det fungerar på dagen istället för på natten. I metoden, värme från solen gör att vatten avdunstar till ånga, som får vatten att avdunsta till ånga, som kan kondenseras till dricksvatten.

Eftersom de två teknikerna fungerar under så olika förhållanden, de kräver vanligtvis olika material och enheter för att få dem att fungera. Nu, ett material utvecklat på Caltech kunde kombinera dem till en enda enhet, arbetar för att generera rent vatten 24 timmar om dygnet.

"Vattenbrist är en enorm fråga som mänskligheten kommer att behöva övervinna när världens befolkning fortsätter att växa, " säger Julia R. Greer, Ruben F. och Donna Mettler professor i materialvetenskap, Mekanik och medicinsk teknik och Fletcher Jones Foundation Direktör för Kavli Nanoscience Institute. "Vattnet täcker tre fjärdedelar av jorden, men bara ungefär hälften av en procent är tillgängligt sötvatten."

Greer har ägnat sin karriär åt att utveckla material med mikro- och nanoarkitektur; det är, material vars själva former (kontrolleras på varje längdskala, nanoskopiska och mikroskopiska) ger dem ovanliga och potentiellt användbara egenskaper. I detta fall, Greer samarbetade med Ye Shi, tidigare postdoktor vid Caltech och nu postdoktor vid UCLA, att skapa ett membran av klädda små ryggar som liknar julgranar men som i själva verket är inspirerade av formen på kaktusryggar.

"Kaktusar är unikt anpassade för att överleva torra klimat, " säger Shi. "I vårt fall, dessa ryggar, som vi kallar "mikroträd, "attrahera mikroskopiska vattendroppar som svävar i luften, så att de kan glida ner längs ryggraden och smälta samman med andra droppar till relativt tunga droppar som så småningom konvergerar till en reservoar av vatten som kan användas."

Ryggarna är byggda av en hydrogel; det är, ett nätverk av hydrofila (vattenälskande) polymerer som naturligt attraherar vatten. På grund av deras lilla storlek, de kan tryckas på ett wafer-tunt membran. Under dagen, hydrogelmembranet absorberar solljus för att värma upp vatten som är instängt under det, som blir ånga. Ångan återkondenseras sedan på ett genomskinligt lock, där den kan hämtas. Under natten, det genomskinliga locket fälls upp och hydrogelmembranet utsätts för fuktig luft för att fånga upp dimma. Som sådan, materialet kan skörda vatten från både ånga och dimma.

I ett drifttest som genomfördes under natten, prover av material med en yta på 55–125 kvadratcentimeter kunde samla upp cirka 35 milliliter vatten från dimma. I tester under dagen, materialet kunde samla upp cirka 125 milliliter från solånga.

Den exakta designen av membranet skapades med hjälp av designprogrammet SolidWorks.

Hydrogelen i sig är en polyvinylalkohol/polypyrrol (PVA/PPy) kompositgel, ett giftfritt och flexibelt material som används i många applikationer inklusive i kondensatorer, bärbara spännings- och temperatursensorer, och batterier.

För att finjustera designen av mikroträden, Greer och Shi arbetade med Caltechs Harry Atwater, Howard Hughes professor i tillämpad fysik och materialvetenskap; och Ognjen Ilic, tidigare postdoktor vid Caltech och nu Benjamin Mayhugh biträdande professor i maskinteknik vid University of Minnesota.

Med hjälp av datormodellering, Ilic beräknade värmefördelningen inom mikroträden för att hjälpa till att definiera storleken och formen som skulle vara mest effektiv för att dra vatten från luften. Med detta framgångsrika proof-of-concept, teamet hoppas nu hitta en privat partner som kan kommersialisera tekniken för regioner med vattenbrist.

"Det är verkligen inspirerande att ett relativt enkelt hydrofilt polymermembran kan formas i en morfologi som liknar kaktusryggar och kan göra en enorm förbättring av vattenuppsamling. Jag antar att evolution verkligen fungerar, " säger Greer.

De Naturkommunikation Uppsatsen har titeln "Skörd av färskvatten hela dagen med mikrostrukturerade hydrogelmembran."