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新材料帮助人们白天和晚上都能收集空气中的水
编辑:尚蒙科技无锡有限公司   时间:2021-05-26

据自然子刊,自然通讯杂志报道,美国加州工学院科学家受仙人掌刺形状启发的微小结构使新创建的材料可以在白天和黑夜从空气中收集饮用水,并将两种集水技术结合在一起。

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这种材料是一种微结构的水凝胶膜(稍后会详细介绍),可以通过太阳能蒸汽-水的产生和雾气的收集来生产水,这是两个独立的过程,通常需要两个单独的设备。关于该材料的论文于5月14日发表在《自然通讯》上。 雾的收集正是听起来的样子。到了晚上,沿海低洼的云层上布满了水滴。可以聚结并收集这些液滴的设备可以将雾化为饮用水。 太阳能蒸汽发电是另一种集水技术。尽管它在白天而不是在晚上工作,但它也能够净化水,因此在沿海地区尤其有效。在该方法中,来自太阳的热量导致水蒸发成蒸汽,这导致水蒸发成蒸汽,然后可以将其冷凝成饮用水。 由于这两种技术在不同的条件下运行,因此它们通常需要不同的材料和设备才能发挥作用。现在,加州理工学院开发的一种材料可以将它们组合为一个设备,一天24小时不间断地产生干净的水。

“随着世界人口的不断增长,水资源短缺是人类需要克服的一个巨大问题,” Ruben F. and Donna Mettler的材料科学,力学和医学工程教授,弗莱彻·琼斯基金会主任朱莉娅·格里尔(Julia R. Greer)说。卡夫利纳米科学研究所。 “水占全球的四分之三,但只有约一半的百分之一的淡水可供使用。”


格里尔(Greer)的职业生涯是开发微结构和纳米结构材料。就是说,材料的形状(在每种长度尺度,纳米和微观上都可以控制)赋予了它们不寻常的和潜在的有用特性。在这种情况下,Greer与叶石合作,后者是加州理工学院的博士后学者,现在是加州大学洛杉矶分校的博士后学者,创建了一个排列成阵列的细刺的膜,这些膜类似于圣诞树,但实际上受到了仙人掌刺形状的启发。


“仙人掌特别适应干旱气候。” Shi说。 “在我们的例子中,这些棘突,我们称之为'微树',吸引了悬浮在空中的微小水滴,使它们沿着脊柱底部滑动并与其他水滴聚结成相对较重的水滴,最终汇入可以利用的水库。”

刺是由水凝胶制成的。 也就是自然吸引水的亲水性(亲水性)聚合物网络。 由于它们的尺寸很小,它们可以印在薄薄的晶圆上。 白天,水凝胶膜吸收阳光以加热陷在其下方的水,该水变成蒸汽。 然后,蒸汽重新冷凝到透明盖上,可以在那里收集蒸汽。 在晚上,透明盖会折叠起来,水凝胶膜会暴露在潮湿的空气中以捕获雾气。 这样,该材料可以从蒸汽和雾中收获水。


在夜间进行的一项操作测试中,材料样本的面积为55-125平方厘米,能够从雾中收集约35毫升的水。 在一天的测试中,该材料能够从太阳蒸汽中收集约125毫升。



膜的确切设计是使用设计程序SolidWorks创建的。


水凝胶本身是聚乙烯醇/聚吡咯(PVA / PPy)复合凝胶,是一种无毒且柔软的材料,广泛用于电容器,可穿戴的应变和温度传感器以及电池等应用中。


为了对微树的设计进行微调,Greer和Shi与加州理工学院的哈里·阿特沃特(Harry Atwater),霍华德·休斯(Howard Hughes)应用物理与材料科学教授一起工作。和Ognjen Ilic,曾任加州理工学院的博士后学者,现在是明尼苏达大学的机械工程助理教授本杰明·梅休(Benjamin Mayhugh)。


利用计算机建模,Ilic计算了微树内的热量分布,以帮助定义最有效地从空气中吸水的尺寸和形状。通过这一成功的概念验证,该团队现在希望找到一个私人合作伙伴,该合作伙伴能够将该技术商业化用于缺水地区。


“真正令人鼓舞的是,相对简单的亲水性聚合物膜可以形成类似于仙人掌刺的形态,并能够极大地增强集水能力。我猜想进化的确奏效,”格里尔说。


《自然通讯》的论文标题为“通过微结构化水凝胶膜全天收集淡水”。


More information: Ye Shi et al, All-day fresh water harvesting by microstructured hydrogel membranes, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-23174-0

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