Spostare in modo efficiente l'acqua verso l'alto contro la gravità è una grande impresa dell'ingegneria umana, eppure uno che gli alberi hanno dominato per centinaia di milioni di anni. In un nuovo studio, i ricercatori hanno progettato un sistema di trasporto dell'acqua ispirato agli alberi che utilizza le forze capillari per guidare l'acqua sporca verso l'alto attraverso un aerogel strutturato gerarchicamente, dove può poi essere convertito in vapore dall'energia solare per produrre fresco, acqua pulita.

I ricercatori, guidato da Aiping Liu alla Zhejiang Sci-Tech University e Hao Bai alla Zhejiang University, hanno pubblicato un articolo sul nuovo metodo di trasporto dell'acqua e di generazione di vapore solare in un recente numero di ACS Nano . Nel futuro, metodi efficienti di trasporto dell'acqua hanno potenziali applicazioni nella purificazione e nella desalinizzazione dell'acqua.

"Il nostro metodo di preparazione è universale e può essere industrializzato, "Liu ha detto Phys.org . "I nostri materiali hanno proprietà eccellenti e una buona stabilità, e può essere riutilizzato più volte. Ciò fornisce la possibilità per la desalinizzazione su larga scala e il trattamento delle acque reflue in futuro".

Il nuovo sistema si compone di due componenti principali:un lungo, poroso, aerogel ultraleggero per il trasporto dell'acqua, e uno strato di nanotubi di carbonio sopra l'aerogel per assorbire la luce solare e trasformare l'acqua in vapore. Il sistema è racchiuso in un contenitore di vetro. L'acqua viaggia verso l'alto attraverso i pori dell'aerogel a causa delle forze capillari, che sono causati dall'adesione tra le molecole d'acqua e la superficie interna dei pori. Una volta che l'acqua raggiunge la cima, lo strato di nanotubi di carbonio riscaldato dal sole riscalda l'acqua in vapore, lasciando dietro di sé eventuali contaminanti. Il vapore si condensa sui lati del contenitore di vetro circostante, formando goccioline d'acqua che scendono sul fondo del contenitore in un serbatoio per la raccolta.

Questo design è molto simile a quello utilizzato dalle piante. Le piante contengono molti minuscoli vasi xilematici che attingono acqua dal terreno attraverso i loro rami e foglie, a volte a centinaia di piedi nell'aria. Una volta che l'acqua raggiunge le foglie, la radiazione solare fa evaporare l'acqua attraverso i minuscoli pori delle foglie, simile al generatore di vapore solare al carbonio.

Ricreare un efficiente sistema di trasporto dell'acqua simile ad un albero è stato impegnativo, con la maggior parte dei tentativi precedenti che mostravano velocità di trasporto relativamente basse, brevi distanze di trasporto, e una diminuzione delle prestazioni durante il trasporto di acque reflue e acqua di mare rispetto all'acqua pulita. Con il nuovo design in aerogel, i ricercatori hanno dimostrato miglioramenti in tutte queste aree, raggiungendo prestazioni di flusso ascendente di 10 cm nei primi 5 minuti e 28 cm dopo 3 ore. Il sistema funziona ugualmente bene anche con acqua pulita, acqua di mare, liquami, e acque sotterranee sabbiose. Inoltre, il collettore di calore in carbonio raggiunge un'elevata efficienza di conversione dell'energia fino all'85%.

La chiave dei miglioramenti è stata l'attenta progettazione dell'architettura dell'aerogel. Per fabbricare il materiale, i ricercatori hanno versato gli ingredienti dell'aerogel in un tubo di rame, che hanno poi sottoposto a un gradiente di temperatura in cui l'estremità fredda del tubo era a –90 gradi Celsius. Ciò ha causato la crescita dei cristalli di ghiaccio all'interno dell'aerogel lungo il gradiente di temperatura. Dopo aver liofilizzato il tubo, l'aerogel risultante mostrava una struttura gerarchica con canali allineati radialmente, pori microdimensionati, superfici interne rugose, e maglie molecolari. Queste minuscole strutture hanno tutte contribuito alle buone prestazioni dell'aerogel.

Nel futuro, i ricercatori hanno in programma di migliorare ulteriormente le prestazioni del sistema per prepararsi alle applicazioni.

"Speriamo di ottimizzare ulteriormente lo schema sperimentale e di realizzare una produzione su larga scala, " Liu ha detto. "Speriamo anche di migliorare ulteriormente la lunghezza del trasporto dell'acqua, la velocità di trasporto dell'acqua, e l'efficienza della raccolta dell'acqua, in modo da svolgere al meglio le applicazioni pratiche."

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