Вода - это то, без чего мы не можем обойтись. Она нужна людям для выращивания урожая и для множества промышленных процессов. Но особенно она нужна нам для питья. Организм не может прожить более трех дней без воды. Теперь исследователи разработали материалы, которые могут извлекать воду прямо из воздуха. Это может утолить жажду тех, кто живет в отдаленных или засушливых районах.
Новые материалы относятся к типу, известному как металлоорганические каркасы(MOFs). Их название дает представление о том, из чего они сделаны. Представьте себе набор сверхмаленьких игрушек Lego. В центре находятся небольшие кластеры атомов металлов. Цепочки углеродсодержащих соединений служат "палочками", соединяющими эти узлы вместе. Когда эти компоненты соединяются, они создают открытую, похожую на соты структуру.
MOF обладают целым рядом полезных свойств. В прошлом году инженеры сообщили о том, что зеленым растениям удалось получить строительные блоки MOFs и затем собрать их внутри. Они были способны поглощать вредные длины волн света, чтобы они не вредили растениям. Другие могут фильтровать токсичные химические вещества из воздуха, а затем хранить их или помогать их расщеплять. Некоторые из них могут вытягивать углекислый газ из промышленных дымовых труб, что помогает бороться с изменением климата. Есть даже MOF, которые можно использовать в резервуарах для хранения водорода для топливных элементов, вырабатывающих электричество. Система, использующая такие материалы, была бы легче и безопаснее в использовании, особенно в автомобилях.
Но жителей засушливых районов мира больше всего заинтересуют МОF, поглощающие воду. Они могут улавливать большое количество воды просто из воздуха, говорит Чжиён Ся. Этот материаловед работает в Лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса в Лореле, штат Мэриленд.
Молекулы воды (H2O) имеют идеальный размер и форму для прохождения через поры в новых MOFs. Это позволяет им впитываться в материал. У них есть и вторая особенность, которая не менее важна. Их внутреннее расположение электрических зарядов притягивает воду.
Молекула воды имеет V-образную форму. Отрицательно заряженный атом кислорода находится в нижней части этой буквы "V", - объясняет Чжиён Ся. На верхних концах буквы V находятся два положительно заряженных атома водорода.
Но не все МОF, собирающие воду, одинаково полезны, отмечает Чжиён Ся. Некоторые слишком хорошо притягивают и удерживают молекулы воды. Впоследствии потребуется много энергии, чтобы высвободить всю собранную ими воду. Его решение: Определить MOF, которая не так сильно притягивает молекулы воды.
Теперь он и его коллеги сделали именно это.
Перспективы и потенциал
Они исследовали девять различных MOF, способных собирать воду. Металлом в некоторых из них был цинк. Другие были изготовлены с использованием титана, меди, хрома или циркония. В лаборатории исследователи поместили образцы каждого из них во влажные условия с комнатной температурой на целый день. Затем они нагревали материал в более сухом воздухе, чтобы выпустить воду, которую каждый из них набрал. Эти циклы замачивания и высвобождения повторялись не менее 10 раз.
Некоторые MOFs не набирали много воды. Другие сначала впитывали много, но затем высвобождали лишь часть воды. В последующих циклах материал также мог поглотить гораздо меньше, чем вначале. По словам Ся, это признак того, что такие материалы слишком хорошо притягивают воду.
В конце концов, сообщает Ся, один MOF на основе циркония выделился. Тестовые образцы всегда были маленькими, отмечает он. Но если бы вес этого образца MOF составлял 1 килограмм (2,2 фунта), материал поглощал бы и затем выделял более 8 литров (2,1 галлона) воды каждый день. Это превосходит все предыдущие системы сбора воды на основе MOF.
Чжиён Ся и его коллеги описали свои результаты 30 января в журнале Scientific Reports.
Омар Яги - материаловед из Калифорнийского университета в Беркли. Он отмечает, что существует большая разница между лабораторными испытаниями и полевыми исследованиями. Более того, он подчеркивает: "Задача состоит не только в том, чтобы забирать воду из влажного воздуха, но и в том, чтобы делать это при низкой влажности".
Сбор водяного пара из воздуха с уровнем влажности менее 50 процентов "является очень сложной задачей", - говорит Яги. Но в ходе недавних полевых испытаний его команда и другие специалисты показали, что некоторые MOFs демонстрируют большие перспективы в сборе воды даже в условиях пустыни. В частности, они смогли извлечь воду во время испытаний в калифорнийской пустыне Мохаве (Moh-HAH-vee). Они подвергли MOF на основе алюминия воздействию наружного воздуха с влажностью до 10 процентов. Даже в этих очень засушливых условиях килограмм использованного ими MOF смог бы собрать из воздуха 0,7 литра воды. Его команда сообщила о своем достижении 27 августа 2019 года в журнале ACS Central Science.
Нужна вода, но нет доступа к дождю, озерам или грунтовым водам? Материалы, известные как металлоорганические каркасы, могут быть использованы для сбора воды из воздуха, показывают новые данные.