Химики из разных стран создали композитный материал на основе органических кристаллов, который позволяет извлекать воду из водяного пара без использования электричества. Материал имеет вид тонких волокон.
Удаление солей, или опреснение, продолжает оставаться ключевым способом получения воды, пригодной для питья и использования в промышленных целях. Даже при использовании относительно простого метода, такого как конденсация обессоленной воды из пара, этот процесс требует существенных энергетических затрат.
Команда химиков во главе с профессором Панце Наумовым ( Pance Naumov) предложила альтернативный подход и разработала «умные» кристаллы для его реализации. Ученые назвали разработку «кристаллами Януса» (Janus crystals), в честь Януса, древнеримского бога с двумя лицами.
Растения и животные, обитающие в засушливых районах и адаптировавшиеся к сложным условиям, послужили источником вдохновения для ученых. В ходе эволюции некоторые пустынные насекомые и ящерицы приобрели уникальную поверхностную структуру, характеризующуюся чередованием гидрофильных и гидрофобных участков. Гидрофильные зоны способствуют притяжению и накоплению воды в виде капель. После этого капли перемещаются по гидрофобным, водоотталкивающим участкам. Благодаря этому животные способны извлекать влагу из воздуха, даже если годовое количество осадков не превышает одного сантиметра.
Для создания композитных кристаллов исследователи применяли гидрофильные и гидрофобные вещества. Конденсация влаги или тумана на кристаллах Януса протекает спонтанно, без необходимости использования электричества и при обычной температуре и атмосферном давлении. Разработчики полагают, что их технология может служить источником чистой питьевой воды в районах, где опреснение является дорогостоящим процессом, а электроснабжение нестабильно.
Ученые выбрали три органических соединения и вырастили из них гибкие кристаллы. В ходе экспериментов они изучили взаимодействие выбранных материалов и их сочетаний с водяными парами и оптимизировали форму и состав системы.
Кристаллы Януса демонстрируют выдающуюся эффективность извлечения влаги из воздуха — до 16 граммов на квадратный сантиметр материала в час. Благодаря своей тонкости и прозрачности для видимого света, ученые могут без труда отслеживать процесс конденсации и движение капель тумана.
Кристаллы Януса, в отличие от предыдущих поколений органических кристаллов, используемых для тех же целей, обладают способностью одновременно собирать и транспортировать воду по своей поверхности делает процесс извлечения влаги эффективным при нормальных условиях.
«В земной атмосфере присутствует значительный объем неиспользованной пресной воды, но для ее извлечения, конденсации и преобразования в питьевую воду требуются соответствующие материалы. Мы разработали кристаллы, обладающие не только способностью захватывать влагу, но и механической гибкостью и оптической прозрачностью, что позволяет создавать активные, саморегулирующиеся и высокоэффективные системы сбора воды. По мнению Панце Наумова, масштабное внедрение таких систем в будущем поможет решить проблему дефицита воды на общественном уровне.
Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of the American Chemical Society.