Un'impalcatura igroscopica creata alla Rice University è una foresta modificata di nanotubi di carbonio che hanno la capacità di raccogliere molecole d'acqua dall'aria. L'acqua viene immagazzinata fino a quando non viene rilasciata schiacciando l'impalcatura riutilizzabile o finché non evapora lentamente nell'atmosfera. Credito:Ajayan Group/Rice University
(Phys.org) —Se non vuoi morire di sete nel deserto, sii come lo scarabeo. Oppure tieni a portata di mano una tazza di nanotubi. Una nuova ricerca degli scienziati della Rice University ha dimostrato che è possibile creare foreste di nanotubi di carbonio per raccogliere molecole d'acqua dall'aria arida del deserto e conservarle per un uso futuro.
L'invenzione che chiamano "impalcatura igroscopica" è dettagliata in un nuovo articolo sulla rivista dell'American Chemical Society Materiali applicati e interfacce .
I ricercatori nel laboratorio dello scienziato dei materiali di riso Pulickel Ajayan hanno trovato un modo per imitare lo scarabeo Stenocara, che sopravvive nel deserto allungando le ali per catturare e bere le molecole d'acqua della nebbia mattutina.
Hanno modificato le foreste di nanotubi di carbonio cresciute attraverso un processo creato a Rice, dando ai nanotubi un fondo superidrofobo (idrorepellente) e un top idrofilo (amante dell'acqua). La foresta attira le molecole d'acqua dall'aria e, perché i lati sono naturalmente idrofobi, li intrappola dentro.
"Non richiede alcuna energia esterna, e tiene l'acqua dentro la foresta, " ha detto lo studente laureato e primo autore Sehmus Ozden. "Puoi spremere la foresta per prendere l'acqua e usare di nuovo il materiale".
Le foreste cresciute tramite la deposizione di vapore chimico assistita dall'acqua sono costituite da nanotubi che misurano solo pochi nanometri (miliardesimi di metro) di diametro e circa un centimetro di lunghezza.
Un campione di impalcatura igroscopica ricavata da una foresta di nanotubi di carbonio presso la Rice University raccoglie e immagazzina molecole d'acqua anche dall'aria arida. Le molecole affondano nella foresta dall'alto verso il basso, riempire fino all'80 percento dell'impalcatura in condizioni umide (a sinistra), e meno in condizioni temperate (al centro) e secche (a destra). Credito:Ajayan Group/Rice University
Il team di Rice guidato da Ozden ha depositato uno strato superidrofobo in cima alla foresta e poi ha rimosso la foresta dalla sua base di silicio, lo capovolse e aggiunse uno strato di polimero idrofilo sull'altro lato.
Nei test, le molecole d'acqua si sono legate alla sommità idrofila e sono penetrate nella foresta per capillarità e gravità. (L'aria all'interno della foresta viene compressa anziché espulsa, i ricercatori hanno ipotizzato.) Una volta che un po' d'acqua si lega alla chioma della foresta, l'effetto si moltiplica man mano che le molecole vengono attirate all'interno, diffondendosi sui nanotubi attraverso le forze di van der Waals, legame idrogeno e interazioni dipolo. Le molecole quindi assorbono più acqua.
Le immagini al microscopio elettronico mostrano il lato superidrofobico (idrorepellente) (a sinistra) di un'impalcatura igroscopica creata alla Rice University. L'immagine a destra mostra il lato idrofilo (amante dell'acqua). Credito:Ajayan Group/Rice University
I ricercatori hanno testato diverse varianti della loro tazza. Con solo lo strato idrofilo superiore, le foreste sono crollate se esposte all'aria umida perché il fondo non trattato mancava dei collegamenti polimerici che tenevano insieme la parte superiore. Con una parte superiore e una parte inferiore idrofile, la foresta reggeva, ma l'acqua scorreva proprio attraverso.
Ma con un fondo idrofobo e un piano idrofilo, la foresta è rimasta intatta anche dopo aver raccolto l'80 per cento del suo peso in acqua.
La quantità di vapore acqueo catturato dipende dall'umidità dell'aria. Un campione di 8 milligrammi (con una superficie di 0,25 centimetri quadrati) ha assorbito il 27,4% del suo peso in 11 ore all'aria secca, e l'80% in 13 ore in aria umida. Ulteriori test hanno mostrato che le foreste hanno notevolmente rallentato l'evaporazione dell'acqua intrappolata.
Se diventa possibile coltivare foreste di nanotubi su larga scala, l'invenzione potrebbe diventare un efficiente, efficace dispositivo di raccolta dell'acqua perché non richiede una fonte di energia esterna, hanno detto i ricercatori.
Una foresta trattata di nanotubi può raccogliere acqua dall'aria arida, secondo i ricercatori della Rice University. Il piccolo blocco, che contiene milioni di nanotubi di carbonio, può essere alterato con polimeri idrofili e idrofobici che lo trasformano in una tazza che attrae e contiene molecole d'acqua fino a quando non sono necessarie. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Ozden ha affermato che la produzione di array di nanotubi di carbonio su una scala necessaria per mettere l'invenzione in pratica rimane un collo di bottiglia. "Se diventa possibile realizzare foreste di nanotubi su larga scala, sarà un materiale molto facile da realizzare, " Egli ha detto.
I coautori sono il ricercatore postdottorato Liehui Ge, la studentessa laureata Amelia Hart e il collega di facoltà Robert Vajtai, tutto Riso; Alunno del riso Tharangattu Narayanan, uno scienziato presso il Central Electrochemical Research Institute, Karaikudi, India; Hyunseung Yang, uno studente laureato al Korea Institute of Science and Technology ed ex visiting scholar alla Rice; e Srividya Sridhar, uno studente laureato alla Delhi Technological University, India, e visiting scholar alla Rice. Ajayan è Benjamin M. di Rice e Mary Greenwood Anderson Professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali e di chimica, e presidente del Dipartimento di Scienza dei Materiali e Nanoingegneria.
