(Phys.org) —Als je niet wilt sterven van de dorst in de woestijn, wees als de kever. Of houd een nanobuisje bij de hand. Nieuw onderzoek door wetenschappers van Rice University heeft aangetoond dat bossen van koolstofnanobuisjes kunnen worden gemaakt om watermoleculen uit de droge woestijnlucht te halen en op te slaan voor toekomstig gebruik.

De uitvinding die ze een "hygroscopische steiger" noemen, wordt gedetailleerd beschreven in een nieuw artikel in het tijdschrift American Chemical Society Toegepaste materialen en interfaces .

Onderzoekers in het laboratorium van rijstmateriaalwetenschapper Pulickel Ajayan hebben een manier gevonden om de Stenocara-kever na te bootsen, die in de woestijn overleeft door zijn vleugels uit te strekken om watermoleculen uit de vroege ochtendmist op te vangen en te drinken.

Ze veranderden koolstofnanobuisbossen die zijn gegroeid door een proces gecreëerd in Rice, waardoor de nanobuisjes een superhydrofobe (waterafstotende) bodem en een hydrofiele (waterminnende) bovenkant krijgen. Het bos trekt watermoleculen aan uit de lucht en, omdat de zijkanten van nature hydrofoob zijn, houdt ze binnen.

"Het vereist geen externe energie, en het houdt water in het bos, " zei afgestudeerde student en eerste auteur Sehmus Ozden. "Je kunt het bos uitknijpen om het water eruit te halen en het materiaal opnieuw te gebruiken."

De bossen die zijn gegroeid via waterondersteunde chemische dampafzetting, bestaan ​​uit nanobuisjes die slechts enkele nanometers (miljardsten van een meter) breed en ongeveer een centimeter lang zijn.

Het Rice-team onder leiding van Ozden legde een superhydrofobe laag aan op de top van het bos en verwijderde het bos vervolgens van zijn siliciumbasis. draaide het om en voegde een laag hydrofiel polymeer toe aan de andere kant.

Bij testen, watermoleculen bonden zich aan de hydrofiele top en drongen het bos binnen door capillaire werking en zwaartekracht. (Lucht in het bos wordt gecomprimeerd in plaats van verdreven, veronderstelden de onderzoekers.) Zodra een beetje water zich hecht aan het bladerdak, het effect vermenigvuldigt zich naarmate de moleculen naar binnen worden getrokken, verspreid over de nanobuisjes door van der Waals krachten, waterstofbinding en dipoolinteracties. De moleculen trekken dan meer water naar binnen.

De onderzoekers testten verschillende varianten van hun kopje. Met alleen de bovenste hydrofiele laag, de bossen vielen uit elkaar bij blootstelling aan vochtige lucht omdat de onbehandelde bodem de polymeerschakels miste die de bovenkant bij elkaar hielden. Met een hydrofiele boven- en onderkant, het bos hield stand, maar het water liep er dwars doorheen.

Maar met een hydrofobe onderkant en hydrofiele bovenkant, het bos bleef intact, zelfs nadat 80 procent van zijn gewicht in water was verzameld.

De hoeveelheid waterdamp die wordt opgevangen is afhankelijk van de luchtvochtigheid. Een monster van 8 milligram (met een oppervlak van 0,25 vierkante centimeter) trok 27,4 procent van zijn gewicht op gedurende 11 uur in droge lucht, en 80 procent gedurende 13 uur in vochtige lucht. Verdere tests toonden aan dat de bossen de verdamping van het ingesloten water aanzienlijk vertraagden.

Als het mogelijk wordt om op grote schaal nanobuisbossen te kweken, de uitvinding kan een efficiënt, effectief wateropvangapparaat omdat het geen externe energiebron nodig heeft, aldus de onderzoekers.

Ozden zei dat de productie van koolstofnanobuisarrays op een schaal die nodig is om de uitvinding in de praktijk te gebruiken, een knelpunt blijft. "Als het mogelijk wordt om grootschalige nanobuisbossen te maken, het zal een heel gemakkelijk materiaal zijn om te maken, " hij zei.

Co-auteurs zijn postdoctoraal onderzoeker Liehui Ge, afgestudeerde student Amelia Hart en senior faculteitsgenoot Robert Vajtai, alle rijst; Rijstalumnus Tharangattu Narayanan, een wetenschapper aan het Centraal Elektrochemisch Onderzoeksinstituut, Karaikudi, Indië; Hyunseung Yang, een afgestudeerde student aan het Korea Institute of Science and Technology en voormalig gastonderzoeker bij Rice; en Srividya Sridhar, een afgestudeerde student aan de Delhi Technological University, Indië, en gastonderzoeker bij Rice. Ajayan is Benjamin M. en Mary Greenwood Anderson van Rice, hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en scheikunde, en voorzitter van de afdeling Materials Science en NanoEngineering.