Immagini di un array di micro alberi in gel PVA/PPy fabbricato rappresentativo. Barra della scala:1 cm. Credito:California Institute of Technology
Piccole strutture ispirate alla forma delle spine dei cactus consentono a un materiale di nuova creazione di raccogliere acqua potabile dall'aria sia di giorno che di notte, combinando due tecnologie di raccolta dell'acqua in una.
Il materiale, una membrana idrogel micro-architettata (ne parleremo più avanti), può produrre acqua sia attraverso la generazione solare di vapore-acqua che la raccolta della nebbia, due processi indipendenti che in genere richiedono due dispositivi separati. Un articolo sul materiale è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura il 14 maggio.
La raccolta della nebbia è esattamente come sembra. Di notte, le nuvole basse lungo le coste del mare sono cariche di goccioline d'acqua. I dispositivi in grado di fondere e raccogliere quelle goccioline possono trasformare la nebbia in acqua potabile.
La generazione di vapore solare è un'altra tecnica di raccolta dell'acqua. Funziona particolarmente bene nelle zone costiere perché è anche in grado di depurare l'acqua, anche se funziona durante il giorno invece che di notte. Nel metodo, il calore del sole fa evaporare l'acqua in vapore, che fa evaporare l'acqua in vapore, che può essere condensato in acqua potabile.
Poiché le due tecnologie operano in condizioni così diverse, in genere richiedono materiali e dispositivi diversi per farli funzionare. Ora, un materiale sviluppato al Caltech potrebbe combinarli in un unico dispositivo, lavorando per generare acqua pulita 24 ore al giorno.
Immagini di una micro-topologia rappresentativa di un singolo albero. Barra della scala:1 mm. Credito:California Institute of Technology
"La scarsità d'acqua è un problema enorme che l'umanità dovrà superare mentre la popolazione mondiale continua a crescere, " dice Julia R. Greer, Ruben F. e Donna Mettler Professore di Scienza dei Materiali, Meccanica e ingegneria medica e direttore della Fondazione Fletcher Jones del Kavli Nanoscience Institute. "L'acqua copre i tre quarti del globo, ma solo circa la metà dell'uno percento è disponibile come acqua dolce".
Greer ha trascorso la sua carriera sviluppando materiali micro e nano-architetti; questo è, materiali le cui forme stesse (controllate ad ogni scala di lunghezza, nanoscopico e microscopico) conferiscono loro proprietà insolite e potenzialmente utili. In questo caso, Greer ha collaborato con Ye Shi, ex borsista postdottorato al Caltech e ora borsista postdottorato alla UCLA, per creare una membrana di minuscole spine disposte che ricordano gli alberi di Natale ma sono in realtà ispirate alla forma delle spine dei cactus.
"I cactus sono adattati in modo univoco per sopravvivere a climi secchi, " Shi dice. "Nel nostro caso, queste spine, che chiamiamo 'micro-alberi, " attirano microscopiche goccioline d'acqua sospese nell'aria, permettendo loro di scivolare lungo la base della colonna vertebrale e fondersi con altre goccioline in gocce relativamente pesanti che alla fine convergono in un serbatoio d'acqua che può essere utilizzato".
Le spine sono costruite da un idrogel; questo è, una rete di polimeri idrofili (amante dell'acqua) che attraggono naturalmente l'acqua. A causa delle loro piccole dimensioni, possono essere stampati su una membrana sottilissima. Durante il giorno, la membrana idrogel assorbe la luce solare per riscaldare l'acqua intrappolata al di sotto di essa, che diventa vapore. Il vapore poi si ricondensa su un coperchio trasparente, dove può essere raccolto. Durante la notte, il coperchio trasparente si piega e la membrana in idrogel viene esposta all'aria umida per catturare la nebbia. Come tale, il materiale può raccogliere l'acqua sia dal vapore che dalla nebbia.
In un test di funzionamento condotto durante la notte, campioni dei materiali con un'area compresa tra 55 e 125 centimetri quadrati sono stati in grado di raccogliere circa 35 millilitri di acqua dalla nebbia. Nei test durante il giorno, il materiale era in grado di raccogliere circa 125 millilitri dal vapore solare.
Struttura porosa della matrice gel. Credito:California Institute of Technology
Il design esatto della membrana è stato creato utilizzando il programma di progettazione SolidWorks.
L'idrogel stesso è un gel composito di alcol polivinilico/polipirrolo (PVA/PPy), un materiale atossico e flessibile utilizzato in numerose applicazioni tra cui condensatori, sensori indossabili di deformazione e temperatura, e batterie.
Per mettere a punto il design dei microalberi, Greer e Shi hanno lavorato con Harry Atwater del Caltech, Howard Hughes Professore di Fisica Applicata e Scienza dei Materiali; e Ognjen Ilic, ex borsista post-dottorato al Caltech e ora Benjamin Mayhugh Assistant Professor di ingegneria meccanica presso l'Università del Minnesota.
Utilizzando la modellazione al computer, Ilic ha calcolato la distribuzione del calore all'interno dei microalberi per aiutare a definire la dimensione e la forma che sarebbero più efficaci nell'attingere acqua dall'aria. Con questo proof-of-concept di successo, il team ora spera di trovare un partner privato in grado di commercializzare la tecnologia per le regioni con scarsità d'acqua.
"È davvero stimolante che una membrana polimerica idrofila relativamente semplice possa essere modellata in una morfologia che ricorda le spine dei cactus ed essere in grado di migliorare enormemente la raccolta dell'acqua. Immagino che l'evoluzione funzioni davvero, " dice Greer.
Il Comunicazioni sulla natura il documento è intitolato "Raccolta di acqua dolce per tutto il giorno mediante membrane di idrogel microstrutturate".
