Kleine structuren geïnspireerd op de vorm van cactusstekels zorgen ervoor dat een nieuw gemaakt materiaal zowel overdag als 's nachts drinkbaar water uit de lucht kan verzamelen, twee technologieën voor het oogsten van water in één combineren.

Het materiaal, een hydrogelmembraan met microarchitectuur (daarover later meer), kan water produceren door middel van zowel zonne-stoom-wateropwekking als mistverzameling - twee onafhankelijke processen waarvoor doorgaans twee afzonderlijke apparaten nodig zijn. Een paper over het materiaal werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 14 mei.

Mistverzameling is precies hoe het klinkt. 's Nachts, laaggelegen wolken langs zeekusten zijn zwaar met waterdruppels. Apparaten die kunnen samensmelten en die druppels kunnen verzamelen, kunnen mist in drinkwater veranderen.

Opwekking van zonne-stoom is een andere techniek voor het opvangen van water. Het werkt vooral goed in kustgebieden omdat het ook in staat is tot waterzuivering, hoewel het overdag werkt in plaats van 's nachts. Bij de methode, warmte van de zon zorgt ervoor dat water verdampt tot stoom, waardoor water verdampt tot stoom, dat kan worden gecondenseerd tot drinkwater.

Omdat de twee technologieën onder zulke verschillende omstandigheden werken, ze vereisen meestal verschillende materialen en apparaten om ze te laten werken. Nutsvoorzieningen, een bij Caltech ontwikkeld materiaal zou ze kunnen combineren tot een enkel apparaat, 24 uur per dag werken aan schoon water.

"Waterschaarste is een enorm probleem dat de mensheid zal moeten overwinnen naarmate de wereldbevolking blijft groeien, " zegt Julia R. Greer, de Ruben F. en Donna Mettler hoogleraar materiaalkunde, Mechanics and Medical Engineering en Fletcher Jones Foundation, directeur van het Kavli Nanoscience Institute. "Water bedekt driekwart van de wereld, maar slechts ongeveer de helft van een procent is beschikbaar zoetwater."

Greer heeft haar carrière besteed aan het ontwikkelen van materialen met een micro- en nano-architectuur; dat is, materialen waarvan de vorm (gecontroleerd op elke lengteschaal, nanoscopisch en microscopisch) geven ze ongebruikelijke en potentieel bruikbare eigenschappen. In dit geval, Greer werkte samen met Ye Shi, voorheen een postdoctoraal onderzoeker aan Caltech en nu een postdoctoraal onderzoeker aan de UCLA, om een ​​membraan van gerangschikte kleine stekels te creëren die op kerstbomen lijken, maar in feite zijn geïnspireerd op de vorm van cactusstekels.

"Cactussen zijn uniek aangepast om droge klimaten te overleven, " zegt Shi. "In ons geval, deze stekels, die we 'microbomen' noemen, " microscopisch kleine waterdruppels aantrekken die in de lucht zweven, waardoor ze langs de basis van de wervelkolom naar beneden kunnen glijden en samensmelten met andere druppels tot relatief zware druppels die uiteindelijk samenkomen in een reservoir met water dat kan worden gebruikt."

De stekels zijn opgebouwd uit een hydrogel; dat is, een netwerk van hydrofiele (waterminnende) polymeren die van nature water aantrekken. Door hun kleine formaat, ze kunnen worden afgedrukt op een flinterdun membraan. Tijdens de Dag, het hydrogelmembraan absorbeert zonlicht om het water dat eronder zit op te warmen, wat stoom wordt. De stoom condenseert vervolgens weer op een transparant deksel, waar het kan worden verzameld. Tijdens de nacht, het transparante deksel klapt op en het hydrogelmembraan wordt blootgesteld aan vochtige lucht om mist op te vangen. Als zodanig, het materiaal kan water uit zowel stoom als mist halen.

In een operatietest die 's nachts werd uitgevoerd, monsters van de materialen met een oppervlakte van 55-125 vierkante centimeter konden ongeveer 35 milliliter water uit mist verzamelen. Bij testen gedurende de dag, het materiaal was in staat om ongeveer 125 milliliter uit zonnestoom te verzamelen.

Het exacte ontwerp van het membraan is gemaakt met behulp van het ontwerpprogramma SolidWorks.

De hydrogel zelf is een samengestelde gel van polyvinylalcohol/polypyrrool (PVA/PPy), een niet-toxisch en flexibel materiaal dat in tal van toepassingen wordt gebruikt, waaronder in condensatoren, draagbare spannings- en temperatuursensoren, en batterijen.

Om het ontwerp van de microbomen te verfijnen, Greer en Shi werkten samen met Harry Atwater van Caltech, Howard Hughes hoogleraar toegepaste natuurkunde en materiaalkunde; en Ognjen Ilic, voorheen een postdoctoraal onderzoeker bij Caltech en nu Benjamin Mayhugh Assistant Professor of Mechanical Engineering aan de Universiteit van Minnesota.

Met behulp van computermodellering, Ilic berekende de warmteverdeling binnen de microbomen om de grootte en vorm te helpen bepalen die het meest effectief zouden zijn om water uit de lucht te halen. Met deze succesvolle proof-of-concept, het team hoopt nu een private partner te vinden die de technologie kan commercialiseren voor gebieden met waterschaarste.

"Het is echt inspirerend dat een relatief eenvoudig hydrofiel polymeermembraan kan worden gevormd in een morfologie die lijkt op cactusstekels en in staat is tot een enorme verbetering van de wateropvang. Ik denk dat evolutie echt werkt, ' zegt Greer.

De Natuurcommunicatie paper is getiteld "All-day Fresh Water Harvesting by Microstructured Hydrogel Membranes."