Химики и инженеры находят инновационные способы доступа к воде, в том числе извлекая ее из воздуха. Теперь исследователи Чикагского университета нашли способ извлекать еще больше воды.
В 2021 году профессор Лаура Гальярди из химического факультета Притцкеровской школы молекулярной инженерии была частью межведомственной группы, разрабатывавшей новое устройство для извлечения воды из воздуха. Ключевым нововведением стал разработанный материал, называемый металлоорганическим каркасом, представляющий собой гибридную структуру из ионов металлов и органических линкеров, которую можно настраивать на молекулярном уровне.
MOF имеют структуру пустых пор, которые адсорбируют молекулы воды из воздуха. Гальярди и ее команда использовали теоретические и вычислительные методы, чтобы лучше понять, как материал работает на атомном уровне.
Теперь команда Гальярди помогла разработать оптимизированный MOF, который поглощает на 50% больше воды из воздуха, чем предыдущая версия. Материал в конечном итоге будет включен в устройство, созданное для демонстрации этой потенциально революционной технологии.
«Это настоящий прорыв», — сказала Гальярди. «Это показывает, что теория, моделирование и предсказание могут направлять новые эксперименты и новые технологии». Исследование было опубликовано в ACS Central Science.
Хотя первоначальный MOF работал хорошо, команда хотела улучшить его, увеличив объем пор материала, но в то же время сохранив аналогичную прочность связывания с водой. Каркас MOF состоит из крошечных стержней на основе алюминия, соединенных «линкерными» молекулами. Эта структура создает поры, выстланные чередующимися гидрофильными (связывающими воду) и гидрофобными (избегающими воды) карманами.
Эти карманы идеально подходят для первоначального связывания воды: когда MOF подвергается воздействию воздуха, молекулы воды естественным образом связываются с ним. Как только начальные молекулы воды связаны, к начальным молекулам воды присоединяются следующие молекулы.
В результате получается «губка», наполненная водой. Но исследователи хотели увеличить объем пор (что позволило бы извлекать больше воды из воздуха), сохраняя при этом эту особую среду, необходимую для притяжения исходных молекул воды. Команде также нужно было найти правильное решение в дизайне: вода должна связываться с MOF, но не слишком сильно, иначе ее никогда нельзя будет десорбировать (выдавить из губки).
Команда Гальярди провела компьютерное моделирование, чтобы найти то, что, в конечном счете, было ответом: добавление специального удлинения линкера, по сути, длинного плеча в структуре, состоящей из двух атомов углерода, что увеличило бы размер пор, сохранив при этом особые водосвязывающие свойства, которыми изначально обладал MOF.
Они сотрудничали с экспериментаторами из Калифорнийского университета в Беркли, чтобы убедиться, что материал можно синтезировать по относительно низкой цене. Команда, в которую также входят исследователи из Университета Миннесоты, General Electric и Университета Гумбольдта в Берлине, в настоящее время расширяет производство этого нового MOF и включает его в свой прототип водосборного устройства. Если в устройстве это будет работать так же хорошо, как и в лаборатории, это означает, что устройство может собирать значительно больше воды, чем раньше.
«Это было настоящее сотрудничество дискуссий, моделирования и экспериментов», — сказал Гальярди.
Далее команда рассматривает дополнительные изменения в дизайне и интегрирует машинное обучение, которое может анализировать данные, полученные в результате моделирования и экспериментов, чтобы давать новые предложения по улучшению. В конечном счете, устройство могло бы быть использовано для оказания помощи солдатам в боевых действиях в засушливых районах или гражданским лицам в регионах, где нет воды.
«Надеюсь, мы продолжим эти открытия, которые в конечном итоге помогут людям получать воду в засушливом климате», — сказала она.