Ερευνητές κατασκεύασαν έναν κρύσταλλο που χρησιμοποιεί το ηλιακό φως για να παγιδεύει νερό από τον αέρα σε μικροσκοπικές κοιλότητες
Μια ομάδα χημικών στο University of Iowa ανέπτυξε μια δομή κρυστάλλου που ενεργοποιείται από το φως και μπορεί να αντλεί νερό από τον αέρα και να το αποθηκεύει μέσα σε νανοκλίμακες κοιλότητες, προσφέροντας μια νέα προσέγγιση στη συλλογή νερού από την ατμόσφαιρα.
Το υλικό βασίζεται σε μεταλλο-οργανικά πλαίσια (metal-organic frameworks, MOFs), τα οποία είναι πορώδεις δομές που σχηματίζονται από τη σύνδεση μεταλλικών ατόμων με οργανικά μόρια. Σε αυτή την περίπτωση, οι ερευνητές σχεδίασαν ένα πλέγμα που αρχικά δεν είχε αξιοποιήσιμες κοιλότητες για αποθήκευση νερού.
Η ανακάλυψη ήρθε όταν η δομή εκτέθηκε σε υπεριώδες φως, το οποίο με τη σειρά του πυροδότησε μια χημική αναδιάταξη μέσα στον κρύσταλλο, αναδιαμορφώνοντας την εσωτερική του αρχιτεκτονική και δημιουργώντας μικροσκοπικές κοιλότητες ικανές να παγιδεύουν μόρια νερού από τον αέρα.
Οι ερευνητές λένε ότι η διαδικασία μετατρέπει το υλικό σε ένα είδος στερεάς κατάστασης συλλέκτη νερού που λειτουργεί μόνο με ηλιακό φως, χωρίς την ανάγκη εξωτερικών πηγών ενέργειας ή πολύπλοκων μηχανισμών.
Η ομάδα παρατήρησε το φαινόμενο σε μικροσκοπικό επίπεδο χρησιμοποιώντας περίθλαση ακτίνων Χ, η οποία αποκάλυψε ότι μόρια νερού ήταν ήδη παρόντα μέσα στις νεοσχηματισμένες κοιλότητες μετά την έκθεση στο φως.
Δομή κρυστάλλου που ενεργοποιείται από το φως αλλάζει σχήμα υπό την ηλιακή ακτινοβολία για να δημιουργήσει κοιλότητες που παγιδεύουν και αποθηκεύουν μόρια νερού από τον αέρα
Το φως ανοίγει παγίδες νερού
«Έχουμε βρει και επικυρώσει έναν τρόπο να συλλέγουμε και να αποθηκεύουμε νερό που θα απαιτούσε μόνο ηλιακό φως», λέει ο Leonard MacGillivray, επίκουρος καθηγητής στο Τμήμα Χημείας και πρώην πρόεδρος του τμήματος.
«Μπορείτε να μεταφέρετε το κρυσταλλικό πλέγμα και τελικά να απελευθερώσετε το νερό κατά απαίτηση. Αυτός είναι ο λόγος που αποτελεί τόσο μεγάλη πρόοδο» συμπλήρωσε.
Οι ερευνητές λένε ότι η συμπεριφορά του υλικού εξαρτάται από μια δομική μετατόπιση που προκαλείται από το υπεριώδες φως. Οι οργανικοί συνδετικοί δεσμοί μέσα στο MOF αναδιατάσσονται σε μια νέα διαμόρφωση, ανοίγοντας χώρους που λειτουργούν ως θέσεις αποθήκευσης για μόρια νερού.
Το σύστημα μπορεί να αποθηκεύσει περίπου το 5% του βάρους του σε νερό υπό εργαστηριακές συνθήκες. Αν και αυτή η ποσότητα είναι μικρή σε επίπεδο μεμονωμένου κρυστάλλου, οι ερευνητές πιστεύουν ότι η κλιμάκωση της αρχιτεκτονικής θα μπορούσε να αυξήσει σημαντικά τη συνολική δυνατότητα συλλογής νερού.
Συλλογή νερού με ηλιακή ενέργεια
Η ομάδα πιστεύει ότι η ιδέα θα μπορούσε να βοηθήσει στην ανάπτυξη νέων τεχνολογιών συλλογής νερού για περιοχές που αντιμετωπίζουν σοβαρή λειψυδρία.
«Ο λόγος που χρησιμοποιούμε τη λέξη “ευφυής” είναι επειδή ενεργοποιούμε τη συλλογή νερού σκόπιμα με το φως», λέει η μεταπτυχιακή ερευνήτρια Nevindee Samararathne Muhandiramge.
«Το υπεριώδες φως είναι ελεύθερα διαθέσιμο από τον ήλιο. Άρα, το επόμενο βήμα θα ήταν να προσδιορίσουμε τα όρια της απορρόφησης νερού σε όρους ποσοστού μάζας και να ωθήσουμε αυτό το όριο όσο το δυνατόν περισσότερο.»
Οι ερευνητές σημειώνουν επίσης ότι οι κρύσταλλοι αυτοσυναρμολογούνται, επιτρέποντας δυνητικά παραγωγή του υλικού σε μεγάλη κλίμακα στο μέλλον.
Ωστόσο, προειδοποιούν ότι η τρέχουσα εκδοχή είναι ακόμη απόδειξη της ιδέας. Το υλικό χρησιμοποιεί κάδμιο ως δοκιμαστικό στοιχείο, το οποίο θα πρέπει να αντικατασταθεί με ασφαλέστερες εναλλακτικές πριν από την πραγματική εφαρμογή.
Οι ερευνητές λένε ότι η μελλοντική εργασία θα επικεντρωθεί στη βελτίωση της αποδοτικότητας πρόσληψης νερού και στη δοκιμή του κατά πόσο το σύστημα μπορεί να λειτουργεί αξιόπιστα εκτός ελεγχόμενων εργαστηριακών συνθηκών.
Η μελέτη υποδηλώνει μια νέα κατεύθυνση για υλικά συλλογής νερού που συνδυάζουν δομική χημεία με περιβαλλοντική απόκριση, χρησιμοποιώντας το ηλιακό φως ως μοναδική πηγή ενέργειας.
(Η μελέτη, «Photo capture of water by single crystals of a nonporous metal−organic material», δημοσιεύθηκε στο Journal of the American Chemical Society)
www.worldenergynews.gr
