Auringonvalo, polymeeriketjujen tukirunko ja sienimäinen nanokuplien verkosto muuttivat yhdessä meriveden juomakelpoiseksi ilman verkkoyhteyttä. Kyse ei ole ihmeestä; se on materiaalitekniikkaa, joka muistuttaa pientä metsää.
Perinteiset suolanpoistolaitteet kuluttavat paljon sähköä. Käänteisosmoosi, yleisin teknologia, pakottaa meriveden läpi kalvojen tehokkailla pumpuilla. Puhdasta, kyllä. Halpaa? Ei aina. Aurinkosuolaus, eli aurinkohaihdutus, on pitkään luvannut energiatehokkaampaa vaihtoehtoa, mutta valoa imevät jauheet taipuvat helposti paakkuuntumaan vedessä, tukkien vesihöyryn poistoreitin ja heikentäen tehokkuutta.
Kiinalaisen tiedeakatemian ja Shenzhenin yliopiston tutkijat kiersivät tämän sudenkuopan rakentamalla kolmiulotteisen fototermisen arkkitehtuurin, jota he kutsuvat "nano-metsäksi". Ontot monikuoriset nanokuplat (HoMS) toimivat lehtinä, jotka vangitsevat valon. Sen sijaan, että valoa imevät partikkelit ajelehtisivat ja muodostaisivat paakkuja, tiimi pujotti niiden läpi kestäviä polyeteenitereftalaatti-(PET) polymeeriketjuja, lukiten jokaisen nanokuoren paikalleen kuin köynnökset puunrunkoon kietoutuen.
He hyödynsivät Hansenin liukoisuusparametrien teoriaa ohjaamaan, miten polymeerit kiinnittyvät, mikä tuotti molekyylitasoisen vahvan sidoksen polymeerin ja partikkelin välille. Valmistuksen aikana polymeerisäikeet vedetään huolellisesti kuorien mikroskooppisten huokosten läpi ja jäähdytetään, jolloin koko verkosto kiinnittyy yhteen vakaaksi, huokoiseksi matriisiksi. Tuloksena on yhtenäinen, kolmiulotteinen verkko, joka sekä sieppaa saapuvan säteilyn että antaa veden liikkua vapaasti haihtumispinnalle.
Tulokset ovat merkittäviä. Tämä materiaali saavuttaa haihdutusnopeuden 38,14 kg per neliömetri tunnissa, mikä on noin 8,5 kertaa enemmän kuin tavanomaiset kaksiulotteiset kalvojärjestelmät. Se vangitsee 90,2 % saapuvasta auringonvalosta, ja koska nanomittakaavassa energiarajat muuttuvat rajoittumisvaikutusten vuoksi, nesteen muuttamiseen höyryksi vaadittava fysikaalinen työ vähenee. Haihdutukseen tarvittava nettienergia laskee noin 45,7 %.
Käytännön kokeissa tiimi rakensi 0,75 m2 prototyypin. Laitteisto oli lähes koneeton: pieni aurinkopaneeli syötti virtaa tuulettimelle, joka ohjasi höyryä lempeästi kondensoijalaatikkoon. Auringon alla yksikkö tuotti johdonmukaisesti yli 20 litraa puhdasta juomavettä päivässä, riittävästi noin kymmenelle ihmiselle, ja vesi täytti Maailman terveysjärjestön (WHO) laatuvaatimukset ilman lisäkäsittelyä.
He eivät pysähtyneet laboratoriopulloihin. Suolanpoistettu vesi kasteli pienen pellon, jossa pinaatti, maissi ja bok choy suorittivat täydellisen kasvukauden ilman ongelmia, mikä osoittaa soveltuvuuden myös maatalouteen, ei vain juomavedeksi.
Tutkijat arvioivat, että kahden vuoden käytön jälkeen tämän verkkovapaan aurinkolaitteen vesikustannus voi olla alhaisempi kuin kaupallisesti pullotetun veden hinta.
Julkaisijat ja asiantuntijat löytävät koko kokeelliset yksityiskohdat Advanced Materials -lehdestä, mutta laajempi merkitys on välitön: älykkäillä mikroarkkitehtuureilla ja edullisilla polymeereillä aurinkosuolaus voi ohittaa pitkään kestäneet pullonkaulat. Lähestymistapa skaalautuu moduulien laatoittamisella, ja rannikko- tai saariyhteisöille, joilla ei ole luotettavaa sähköä, se tarjoaa tien puhtaaseen veteen, joka on helppokäyttöinen ja samalla huipputekninen suunnittelultaan.
Kysymyksiä kuitenkin jää: kestävyys kovissa merellisissä oloissa, tukkeutuminen useiden vuodenaikojen aikana ja massavalmistuksen kustannukset. Nano-metsä näyttää kuitenkin, miten rakenneajattelu nanomittakaavassa voi muuttaa globaalia ongelmaa. Kuka istuttaa ensimmäiset rivit?
"Olen tutkijatohtori fysiikan alalta ja haluan tuoda tieteen saavutukset kaikkien ulottuville. Genomissa kirjoitan selkeästi uusista keksinnöistä ja tutkimuksista."
Keskustelu
Jätä kommentti
Kommentit
Ei vielä kommentteja. Ole ensimmäinen.