Сверхэффективный гидрогель поглощает воду прямо из воздуха даже в пустыне
Вода является ключом к выживанию человека, энергии, производству продуктов питания и здоровым экосистемам. В то же время изменение климата усугубило бремя поддержания глобальных запасов воды и энергии из-за меняющихся условий окружающей среды. По данным ЮНИСЕФ, почти две трети населения мира испытывает острую нехватку воды не менее одного месяца в году.
В поисках инновационных материалов, позволяющих собирать воду, исследователи обратили свое внимание на гидрогели, способные поглощать влагу из воздуха — так называемые гигроскопичные гидрогели. Чтобы быть эффективными и пригодными для использования в самых разных ситуациях, эти вещества должны быть недорогими, масштабируемыми и устойчивыми, а также обеспечивать высокую степень поглощения водяного пара.
Исследователи Массачусетского технологического института разработали супервпитывающий гидрогель, который отвечает всем этим требованиям даже в условиях пустыни. Ключом к впитывающей способности материала было заполнение гидрогеля особой солью, хлоридом лития.
Как устроен сверхэффективный гидрогель
Прочитав другие исследования, в которых использовалась смесь гидрогелей с солями, ученые остановились на хлориде лития, который очень гигроскопичен. Он способен поглощать влаги более чем в 10 раз больше своей массы. Но ему нужна основа, которая потом сможет эту воду удержать — вот тут на сцену и выходит гидрогель.
«Мы берем лучшее из обоих миров, — рассказал Густав Гребер, ведущий автор исследования. — Гидрогель может удерживать много воды, а соль может улавливать много испаренной влаги. Поэтому желание объединить их понятно интуитивно».
Исследователи экспериментировали, опуская гидрогелевые диски в растворы, содержащие различные концентрации соли хлорида лития. Каждый день их взвешивали, чтобы увидеть, сколько соли было введено в гидрогель. После замачивания в течение 30 дней исследователи обнаружили, что гидрогель поглощает 24 г соли на грамм геля. В предыдущих исследованиях было достигнуто поглощение до 6 г соли, но гидрогель не оставался в солевом растворе так долго.
Нагруженный солью гидрогель испытывали в условиях различной влажности. Исследователи обнаружили, что при содержании влаги в воздухе в 30%, 50% и 70% гидрогель впитывал ее, не протекая. По словам ученых, даже при относительной влажности 30% (что ниже, чем влажность в пустыне ночью) гидрогели улавливали 1,79 г воды на грамм материала. Это на 15% больше, чем аналоги, протестированные ранее. Полученную в результате воду можно было нагреть, сконденсировать и собрать как готовую к употреблению жидкость.
«В любой пустыне ночью будет такая низкая относительная влажность, поэтому вполне вероятно, что этот материал сможет генерировать воду прямо из воздуха», — отметил Карлос Диас-Марин, один из соавторов исследования.
Следующая задача для исследователей — ускорить процесс поглощения воды. «Теперь основное внимание будет уделено кинетике и тому, как быстро мы сможем заставить материал поглощать воду. Это позволит очень быстро перерабатывать его, так что вместо того, чтобы восстанавливать воду один раз в день, вы сможете собирать воду каждый час», — уверяют ученые.