Waterverdamping, zoals waargenomen wanneer een plas water op een zomerdag verdwijnt, is een opmerkelijk krachtig proces. Als het aangewend zou zijn, het proces zou een schone energiebron kunnen zijn voor het aandrijven van mechanische machines en apparaten. In een nieuw gepubliceerd artikel in Natuurmaterialen , een internationaal team van wetenschappers onder leiding van onderzoekers van het Advanced Science Research Center in het Graduate Center, CUNY (CUNY ASRC) beschrijft de ontwikkeling van vormveranderende kristallen die verdampingsenergie direct omzetten in krachtige bewegingen.

Deze op water reagerende materialen zijn gemaakt met behulp van eenvoudige varianten van biologische bouwstenen, bekend als tripeptiden, om kristallen te creëren die tegelijkertijd stijf en morphable zijn. De materialen zijn samengesteld uit driedimensionale patronen van poriën op nanoschaal waar water stevig bindt, en deze poriën worden afgewisseld met een moleculair netwerk van stijve en flexibele gebieden. Wanneer de luchtvochtigheid wordt verlaagd en een kritische waarde bereikt, het water ontsnapt uit de poriën wat leidt tot een krachtige samentrekking van het onderling verbonden netwerk. Hierdoor verliezen de kristallen tijdelijk hun geordende patronen totdat de vochtigheid is hersteld en de kristallen hun oorspronkelijke vorm terugkrijgen. Dit nieuw ontworpen proces kan steeds opnieuw worden herhaald en leidt tot een opmerkelijk efficiënte methode om verdampingsenergie te oogsten om mechanisch werk uit te voeren.

"We hebben in wezen een nieuw type actuator gecreëerd, die wordt aangedreven door waterverdamping, " zei Graduate Center promovendus Roxana Piotrowska, de eerste auteur van de studie en een onderzoeker bij het CUNY ASRC Nanoscience Initiative. "Door de activiteit ervan te observeren, hebben we de fundamentele mechanismen kunnen identificeren van hoe op water reagerende materialen verdamping efficiënt kunnen omzetten in mechanische energie."

"Ons werk maakt de directe observatie van de door verdamping aangedreven aandrijving van materialen op moleculaire schaal mogelijk, '' zei de corresponderende auteur van de studie, Xi Chen, wiens lab met CUNY ASRC Nanoscience Initiative mede het onderzoek leidde. "Door te leren hoe je efficiënt energie uit verdamping haalt, en zet het in beweging, betere en efficiëntere actuatoren kunnen voor veel toepassingen worden ontworpen, inclusief apparaten voor het oogsten van verdampingsenergie.''

"Belangrijk, onze ontworpen kristallen zijn gemaakt van exact dezelfde bouwstenen als eiwitten, maar ze zijn radicaal vereenvoudigd en als gevolg daarvan, hun eigenschappen kunnen nauwkeurig worden afgestemd en rationeel worden geoptimaliseerd voor deze toepassing, " zei Rein Ulijn, directeur van het CUNY ASRC Nanoscience Initiative, wiens laboratorium, die mede leiding gaf aan het werk, is verantwoordelijk voor de biomoleculaire ontwerpaspecten van het onderzoek. "Het mooie van het gebruik van biologische bouwstenen om deze nieuwe technologie te creëren, is dat de resulterende morfogene kristallen biocompatibel zijn, biologisch afbreekbaar, en kostenbesparend."

Door gebruik te maken van een combinatie van laboratoriumexperimenten en computersimulaties, de onderzoekers waren in staat om de factoren te identificeren en te bestuderen die de activering van deze kristallen regelen. Deze aanpak resulteerde in nieuwe inzichten die het ontwerp van efficiëntere manieren om verdamping te gebruiken voor een verscheidenheid aan toepassingen informeren, waaronder mogelijk robotcomponenten of mechanische micro- en nanomachines die worden aangedreven door waterverdamping.