Исследователи разработали кристаллы для сбора воды из воздуха, вдохновившись жизнью в пустыне

Группа исследователей из Цзилиньского университета, Лаборатории умных материалов Нью-Йоркского университета в Абу-Даби и Центра умных инженерных материалов под руководством профессора химии Панса Наумова разработала новый кристаллический материал, который может собирать влагу из воздуха без каких-либо затрат энергии.

Дизайн нового типа умных кристаллов, которые исследователи назвали кристаллами Януса, вдохновлён пустынными растениями и животными, способными выживать в засушливых условиях. Пустынные жуки и ящерицы, например, эволюционировали, развивая поверхностные структуры, которые имеют как гидрофильные, так и гидрофобные участки и эффективно захватывают влагу из воздуха. Вода притягивается к гидрофильным участкам, а капли накапливаются и транспортируются через гидрофобные участки.

Результаты исследования представлены в статье «Эффективный сбор воды из воздуха с помощью автономных динамических кристаллов Януса», недавно опубликованной в Journal of the American Chemical Society. Исследователи выбрали три химически универсальных органических соединения, из которых они вырастили эластичные органические кристаллы. Затем они проверили, как каждый из этих материалов взаимодействует с водой, находящейся в воздухе, что привело к созданию новых материалов для сбора воды — кристаллов Януса, которые содержат как гидрофильные, так и гидрофобные области на поверхности. Первые захватывают воду, вторые передают её в ёмкость для сбора. Кристаллы Януса улавливают влагу из влажного воздуха с самой высокой на сегодняшний день эффективностью сбора воды. Прозрачные структуры кристаллов позволяют исследователям наблюдать за процессом сбора и конденсации капель тумана в режиме реального времени.

Опреснение — широко распространённый метод получения питьевой воды, однако для отделения растворённой в солёной воде соли требуется энергоёмкий процесс. В отличие от этого, процесс конденсации воздушной влаги или тумана, используемый кристаллами Януса, происходит спонтанно и без затрат энергии, что потенциально может обеспечить «бесконечный» источник чистой воды. В отличие от ранее описанных пористых органических кристаллов, кристаллы Януса объединяют на своей поверхности функции сбора и доставки воды, создавая высокоэффективный процесс сбора воды, который максимизирует количество собранной воды в условиях окружающей среды.

«Атмосфера Земли содержит огромное количество неиспользованной пресной воды, но нам крайне необходимы материалы, способные эффективно улавливать и собирать эту влагу и конденсировать её в питьевую воду», — говорит Наумов. Кристаллы, разработанные нашей командой, не только используют механическое удобство и оптическую прозрачность органических кристаллов, но и открывают путь к созданию активных, ощущающих самих себя и эффективных поверхностно-активных сборщиков, которые при более масштабном использовании могут помочь нам бороться с нехваткой воды».