Un nuovo materiale sviluppato dagli ingegneri mostra un assorbimento di vapore “da record” — ScienceDaily

Poiché il materiale assorbe il vapore acqueo, può gonfiarsi per fare spazio a più umidità. Anche in condizioni molto secche, con un’umidità relativa del 30%, il materiale può estrarre vapore dall’aria e trattenere l’umidità senza perdite. L’acqua potrebbe quindi essere riscaldata e condensata, quindi raccolta come acqua ultrapura.

Il materiale trasparente e gommoso è realizzato in idrogel, un materiale naturalmente assorbente che viene utilizzato anche nei pannolini usa e getta. Il team ha migliorato l’assorbimento dell’idrogel infondendolo con cloruro di litio, un tipo di sale noto per essere un potente essiccante.

I ricercatori hanno scoperto che potevano infondere l’idrogel con più sale di quanto fosse possibile negli studi precedenti. Di conseguenza, hanno osservato che il gel caricato con sale ha assorbito e trattenuto una quantità senza precedenti di umidità, in una gamma di livelli di umidità, comprese condizioni molto secche che hanno limitato altri design dei materiali.

Se può essere prodotto rapidamente e su larga scala, il gel superassorbente potrebbe essere utilizzato come raccoglitore passivo di acqua, in particolare nelle regioni desertiche e soggette a siccità, dove il materiale potrebbe assorbire continuamente vapore, che potrebbe quindi essere condensato in acqua potabile . I ricercatori prevedono inoltre che il materiale possa essere inserito nelle unità di condizionamento dell’aria come elemento deumidificante a risparmio energetico.

“Siamo stati indipendenti dall’applicazione, nel senso che ci concentriamo principalmente sulle proprietà fondamentali del materiale”, afferma Carlos Díaz-Marin, studente laureato in ingegneria meccanica e membro del Device Research Lab del MIT. “Ma ora stiamo esplorando problemi molto diversi, come rendere l’aria condizionata più efficiente e come raccogliere l’acqua. Questo materiale, a causa del suo basso costo e delle sue elevate prestazioni, ha un enorme potenziale”.

Díaz-Marin e i suoi colleghi hanno pubblicato i loro risultati in un articolo apparso oggi su Materiale avanzato. I coautori del MIT dello studio sono Gustav Graeber, Leon Gaugler, Yang Zhong, Bachir El Fil, Xinyue Liu ed Evelyn Wang.

“Il meglio di entrambi i mondi”

Nel Device Research Lab del MIT, i ricercatori stanno progettando nuovi materiali per risolvere le sfide energetiche e idriche del mondo. Nella ricerca di materiali che possano aiutare a raccogliere l’acqua dall’aria, il team si è concentrato sugli idrogel: gel scivolosi ed elastici che sono per lo più fatti di acqua e un po’ di polimero reticolato. Gli idrogel sono stati usati per anni come materiale assorbente nei pannolini perché possono gonfiarsi e assorbire una grande quantità di acqua quando vengono a contatto con il materiale.

“La nostra domanda era: come possiamo farlo funzionare altrettanto bene per assorbire il vapore dall’aria?” Diaz-Marin dice.

Lui ei suoi colleghi hanno scavato nella letteratura e hanno scoperto che altri avevano sperimentato la miscelazione di idrogel con vari sali. Alcuni sali, come il salgemma usato per sciogliere il ghiaccio, sono molto efficaci nell’assorbire l’umidità, compreso il vapore acqueo. E il migliore tra questi è il cloruro di litio, un sale in grado di assorbire oltre 10 volte la propria massa di umidità. Lasciato in un mucchio da solo, il cloruro di litio potrebbe attirare il vapore dall’aria, anche se l’umidità si raccoglierebbe solo intorno al sale, senza alcun mezzo per trattenere l’acqua assorbita.

Quindi, i ricercatori hanno tentato di infondere il sale nell’idrogel, producendo un materiale che potrebbe trattenere l’umidità e gonfiarsi per accogliere più acqua.

“È il meglio di entrambi i mondi”, afferma Graeber, che ora è ricercatore principale presso l’Università Humboldt di Berlino. “L’idrogel può immagazzinare molta acqua e il sale può catturare molto vapore. Quindi è intuitivo che tu voglia combinare i due”.

È ora di caricare

Ma il team del MIT ha scoperto che altri hanno raggiunto un limite alla quantità di sale che potevano caricare nei loro gel. I campioni con le migliori prestazioni fino ad oggi sono stati gli idrogel che sono stati infusi con 4-6 grammi di sale per grammo di polimero. Questi campioni hanno assorbito circa 1,5 grammi di vapore per grammo di materiale in condizioni asciutte con il 30% di umidità relativa.

Nella maggior parte degli studi, i ricercatori avevano precedentemente sintetizzato campioni immergendo gli idrogel in acqua salata e aspettando che il sale si infondesse nei gel. La maggior parte degli esperimenti si è conclusa dopo 24-48 ore, poiché i ricercatori hanno scoperto che il processo era troppo lento e che nei gel non finiva molto sale. Quando hanno testato la capacità del materiale risultante di assorbire il vapore acqueo, i campioni hanno assorbito molto poco, poiché contenevano poco sale per assorbire l’umidità in primo luogo.

Cosa accadrebbe se la sintesi materiale fosse lasciata andare avanti, diciamo, per giorni e persino settimane? Un idrogel potrebbe assorbire ancora più sale, se gli viene concesso abbastanza tempo? Per una risposta, il team del MIT ha condotto esperimenti con poliacrilammide (un comune idrogel) e cloruro di litio (un sale superassorbente). Dopo aver sintetizzato i tubi di idrogel attraverso metodi di miscelazione standard, i ricercatori hanno tagliato i tubi in dischi sottili e hanno fatto cadere ciascun disco in una soluzione di cloruro di litio con una diversa concentrazione di sale. Ogni giorno toglievano i dischi dalla soluzione per pesarli e determinare la quantità di sale che era stata infusa nei gel, quindi li rimettevano nelle loro soluzioni.

Alla fine, hanno scoperto che, in effetti, con più tempo, gli idrogel assorbono più sale. Dopo immersione in soluzione salina per 30 giorni, gli idrogel ne hanno incorporati fino a 24, contro il precedente record di 6 grammi di sale per grammo di polimero.

Il team ha quindi sottoposto vari campioni di gel carichi di sale a test di assorbimento in una serie di condizioni di umidità. Hanno scoperto che i campioni potevano gonfiarsi e assorbire più umidità a tutti i livelli di umidità, senza perdite. In particolare, il team riferisce che in condizioni molto secche con il 30% di umidità relativa, i gel hanno catturato un “record” di 1,79 grammi di acqua per grammo di materiale.

“Qualsiasi deserto durante la notte avrebbe quella bassa umidità relativa, quindi plausibilmente questo materiale potrebbe generare acqua nel deserto”, afferma Díaz-Marin, che ora sta cercando modi per accelerare le proprietà superassorbenti del materiale.

“La grande, inaspettata sorpresa è stata che, con un approccio così semplice, siamo stati in grado di ottenere il più alto assorbimento di vapore riportato fino ad oggi”, afferma Graeber. “Ora, l’obiettivo principale sarà la cinetica e la rapidità con cui possiamo fare in modo che il materiale assorba l’acqua. Ciò ti consentirà di ciclare questo materiale molto rapidamente, in modo che invece di recuperare l’acqua una volta al giorno, potresti raccogliere l’acqua forse 24 volte a giorno.”

Questa ricerca è stata sostenuta, in parte, dall’Office of Energy Efficiency and Renewable Energy degli Stati Uniti e dalla Swiss National Science Foundation.