Man mano che la popolazione mondiale cresce, le riserve di acqua dolce sono più preziose che mai. Mentre scienziati e ingegneri sanno come purificare l'acqua, rendere questi metodi sostenibili ed efficienti dal punto di vista energetico è un'altra questione.

Un approccio promettente è la distillazione solare, o generazione di vapore solare, che può aiutarci a ottenere acqua dolce dalle acque reflue o dall'acqua di mare. I ricercatori hanno utilizzato questo metodo per distillare con successo piccoli lotti di acqua purificata, ma stanno ancora cercando un modo per farlo su larga scala.

I ricercatori della Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago e dell'Argonne National Laboratory affiliato all'UChicago facevano parte di un team che ha sviluppato un nuovo metodo pionieristico di generazione di vapore solare che potrebbe aiutare a portare questa tecnologia nel mondo reale. I materiali possono essere coltivati ​​su legno, tessuto o spugne in modo facile, processo in un'unica fase, e mostrare la promessa per la produzione su larga scala.

"Le tecniche di generazione di vapore solare sono ancora per lo più focalizzate sull'uso in laboratorio ora, "ha detto Zijing Xia, uno studente laureato presso Pritzker Molecular Engineering e autore principale della ricerca. "Vogliamo trovare un modo semplice per fabbricare generatori di vapore solari a un costo relativamente basso".

I risultati del loro lavoro innovativo sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Materiale avanzato Interfacce.

Nella ricerca di sistemi solari a vapore, i ricercatori hanno già provato vari materiali che convertono la luce in calore, come materiali in carbonio, metalli e semiconduttori plasmonici. Ma molte di queste opzioni hanno un'efficienza relativamente bassa, tra le altre sfide, e così la ricerca di un metodo veramente trasformativo continua.

Un generatore di vapore solare ad alte prestazioni combina idealmente diverse caratteristiche. Dovrebbe galleggiare sull'acqua, essere in grado di assorbire un ampio spettro di luce, convertire la luce in calore in modo efficiente ed essere in grado di trasferire quel calore all'acqua. Sfortunatamente, molti metodi precedentemente studiati mancano della struttura porosa necessaria per facilitare il trasferimento di calore all'acqua.

"La maggior parte dei metodi esistenti non può essere facilmente progettata per produrre dispositivi generatori di vapore con controllo arbitrario sulla forma e alta efficienza fototermica, " ha detto Xia.

Ciò che distingue il metodo di Xia è l'uso di una struttura organica covalente di porfirina, o POF. Una classe di materiali recentemente scoperta, I POF possono crescere uniformemente sulla superficie di una varietà di materiali con diversi livelli di porosità, e mostrano elevate prestazioni per l'evaporazione dell'acqua. I POF hanno anche caratteristiche uniche di raccolta della luce vantaggiose per nuove applicazioni.

Nel laboratorio, I POF sono cresciuti con successo sulle superfici interne ed esterne di ogni materiale testato. E ogni modello ha mostrato proprietà fototermiche favorevoli, indicando che i materiali a base di POF sono candidati promettenti per la generazione di vapore solare. La membrana POF è stata in grado di catturare oltre il 95% della luce attraverso la maggior parte dello spettro della luce solare.

Il risultato più promettente della ricerca, Xia ha detto, era la capacità dei POF di crescere sulla superficie di molti diversi tipi di materiali, comprese le membrane, tessuti, spugne e legno. Il legno ha mostrato prestazioni particolarmente elevate, con i ricercatori che misurano circa l'80% dell'efficienza di conversione da luce a vapore.

La capacità dei POF di crescere su molti tipi di materiali li rende facilmente adattabili all'uso con materiali disponibili localmente. Questa versatilità, unito al facile, processo di fabbricazione in un'unica fase, potrebbe rendere il metodo pratico per la produzione su larga scala.

L'approccio basato su POF si è dimostrato molto efficace in un ambiente di laboratorio, e il team di ricerca prevede di condurre ulteriori esperimenti al di fuori del laboratorio per osservare le prestazioni pratiche dei POF.

Finora, la ricerca suggerisce che i POF potrebbero aiutare a guidare i sistemi di purificazione dell'acqua sostenibili del futuro.

"La progettazione ingegneristica dell'interfaccia basata su POF mostra la promessa per metodi di purificazione su larga scala, e potrebbe essere utilizzato anche per la desalinizzazione, trattamento delle acque reflue e non solo, " ha detto Xia.