Materiaal dat passief water uit de lucht verzamelt, wordt per ongeluk ontdekt

Geavanceerde materialen

Redactieteam van de website voor technologische innovatie - 06/03/2025

De productiviteit van de waterverzamelaar is verrassend. [Afbeelding: Baekmin Q. Kim et al. - 10.1126/sciadv.adu8349]

Onbedoeld, maar welkom

Een toevallige observatie tijdens een laboratorium experiment leidde tot een onverwachte en verrassende ontdekking: een nieuwe klasse materialen die in staat is om water te verzamelen uit de vochtigheid in de omgevingslucht, het op te slaan in hun poriën en vervolgens het zuivere water vrij te geven zonder dat er externe energie nodig is.

Het opvangen van water uit vocht in de lucht is van een curiositeit uitgegroeid tot het werk van talloze teams over de hele wereld. Maar Baekmin Kim en zijn collega's van de Universiteit van Pennsylvania winden er geen doekjes om: ze hebben er niet aan gewerkt.

"We probeerden niet eens water te verzamelen", zegt professor Daeyeon Lee. "We werkten aan een ander project, waarbij we de combinatie van hydrofiele nanoporiën en hydrofobe polymeren testten, toen Bharath Venkatesh, een voormalig promovendus in ons lab, waterdruppels zag verschijnen op een materiaal dat we aan het testen waren. Het klopte niet. Toen begonnen we ons af te vragen."

De vragen leidden tot de ontdekking van een nieuw type amfifiel nanoporeus materiaal, een materiaal dat waterminnende (hydrofiele) en waterafstotende (hydrofobe) componenten combineert in één nanostructuur. Het resultaat is een materiaal dat vocht uit de lucht opneemt en dit tegelijkertijd in de vorm van druppeltjes weer afgeeft.

"In typische nanoporeuze materialen blijft water, zodra het de poriën binnendringt, daar", aldus teamlid Amish Patel. "Maar in ons materiaal beweegt het water zich voort, condenseert het eerst in de poriën en komt het vervolgens als druppeltjes naar boven. Dit is nog nooit eerder gezien in een systeem als dit, en we waren aanvankelijk sceptisch over onze waarnemingen."

Interne structuur van het materiaal dat water verzamelt uit de vochtigheid in de atmosferische lucht. [Afbeelding: Baekmin Q. Kim et al. - 10.1126/sciadv.adu8349]

Interactie tussen materialen

Het eerste vermoeden was dat er water condenseerde op het oppervlak van het materiaal als gevolg van een temperatuurgradiënt in het laboratorium. Maar de totale hoeveelheid verzameld water nam toe naarmate de onderzoekers de dikte van de film waarmee ze werkten, vergrootten. Dit bewees dat de waterdruppels die zich op het oppervlak vormden, van binnenuit het materiaal kwamen en niet door normale oppervlaktecondensatie.

Nog verrassender was dat de druppeltjes niet snel verdampten, zoals de thermodynamica voorspelde. "Gezien de kromming en de grootte van de druppeltjes zouden ze moeten verdampen," zei Patel. "Maar dat gebeurde niet; ze bleven lange tijd stabiel."

Omdat het materiaal de natuurkunde tartte, ging het team het vervolgens grondig bestuderen, van de geometrie van de poriën tot de interactie met licht. Daar ontdekten ze dat ze onbedoeld een materiaal hadden gecreëerd met de precieze balans tussen nanodeeltjes die water aantrekken en deeltjes van een plastic, polyethyleen, die water afstoten.

"We hebben per ongeluk de perfecte balans gevonden," zei Lee. "De druppels zijn verbonden met verborgen reservoirs in de poriën eronder. Deze reservoirs worden continu aangevuld door waterdamp in de lucht, waardoor een feedbacklus ontstaat die mogelijk is dankzij deze perfecte balans van waterminnende en waterafstotende materialen."

Om te ontrafelen wat er aan de hand was, was samenwerking met andere teams vereist. [Afbeelding: Baekmin Q. Kim et al. - 10.1126/sciadv.adu8349]

Toepassingen

Naast zijn natuurkundige eigenschappen maakt de eenvoud van het materiaal het zeer veelbelovend. Deze films, gemaakt van gangbare polymeren en nanodeeltjes met behulp van schaalbare productiemethoden, zouden kunnen worden geïntegreerd in passieve wateropvangsystemen voor droge gebieden, koeloppervlakken voor elektronica of slimme coatings die reageren op de luchtvochtigheid.

"We zijn nog steeds bezig de mechanismen te ontrafelen", zei Patel. "Maar de mogelijkheden zijn veelbelovend. We leren van biologie – hoe cellen en eiwitten water beheren in complexe omgevingen – en passen dat toe om betere materialen te ontwerpen."

Momenteel zijn er plannen om te onderzoeken hoe de balans tussen hydrofiele en hydrofobe componenten geoptimaliseerd kan worden, hoe het materiaal opgeschaald kan worden voor gebruik in de praktijk en hoe verzamelde druppels efficiënt van oppervlakken af ​​kunnen rollen, zodat een vocht-wateroogster volledig passief kan werken.

Ander nieuws over:

Meer onderwerpen