Vật liệu mới có thể hút nhiều hơi ẩm từ không khí hơn bao giờ hết.

Các nhà nghiên cứu đang tích cực phát triển các vật liệu với mục đích giải quyết các thách thức toàn cầu liên quan đến năng lượng và nước. Tìm kiếm một giải pháp có thể lấy nước từ không khí, một nhóm nghiên cứu tại MIT hiện đã chuyển sự chú ý sang hydrogel. Đây là một loại gel đàn hồi được làm từ polyme đã được sử dụng trong tã giấy trong nhiều năm.

Trong một nghiên cứu mới, các kỹ sư của MIT đã tổng hợp một vật liệu cao su, trong suốt làm từ hydrogel – tăng khả năng hấp thụ của nó bằng cách truyền lithium clorua (một loại muối) vào nó. Vật liệu có thể nở ra và hút nhiều hơi ẩm hơn khi chúng hấp thụ hơi nước. Ngay cả trong điều kiện rất khô, nó có thể loại bỏ hơi nước khỏi không khí một cách hiệu quả.

Các nhà nghiên cứu đã có thể kết hợp nồng độ muối cao hơn vào hydrogel so với các nghiên cứu trước đây. Kết quả là, họ nhận ra rằng gel thấm muối cho thấy khả năng hấp thụ và giữ ẩm kỷ lục trong nhiều mức độ ẩm khác nhau, bao gồm cả những điều kiện cực kỳ khô cằn vốn là thách thức đối với các vật liệu khác.

Nếu được sản xuất nhanh chóng và trên quy mô lớn, loại gel siêu hấp thụ này có tiềm năng lớn như một máy thu nước thụ động, đặc biệt là ở các khu vực sa mạc và hạn hán. Nhóm nghiên cứu cho biết khả năng hấp thụ hơi nước liên tục của vật liệu, sau đó có thể ngưng tụ thành nước uống được, có thể mang lại một giải pháp bền vững cho tình trạng khan hiếm nước.

Carlos Díaz-Marin, tác giả của nghiên cứu, cho biết: “Chúng tôi đã trở thành ứng dụng bất khả tri, theo nghĩa là chúng tôi chủ yếu tập trung vào các tính chất cơ bản của vật liệu. “Nhưng bây giờ chúng tôi đang khám phá những vấn đề khác nhau như làm thế nào để điều hòa không khí hiệu quả hơn và làm thế nào bạn có thể thu được nước. Vật liệu này có tiềm năng rất lớn.”

Vai trò của hydrogel

Marin và nhóm của ông đã tiến hành xem xét tài liệu và tìm thấy các nghiên cứu trước đây khám phá sự kết hợp của hydrogel với các loại muối khác nhau. Trong số các loại muối này, một số loại, chẳng hạn như muối mỏ được sử dụng để làm tan băng, có hiệu quả đặc biệt trong việc hấp thụ độ ẩm, bao gồm cả hơi nước. Đáng chú ý, liti clorua nổi lên như một loại muối rực rỡ nhất.

Điều này là do khả năng hấp thụ độ ẩm gấp 10 lần trọng lượng của chính nó. Các nhà nghiên cứu cho biết khi để ở trạng thái phi cấu trúc, một mình lithium clorua có thể hút hơi từ không khí xung quanh. Thật không may, nước được hấp thụ sẽ chỉ tích tụ xung quanh muối mà không có bất kỳ cơ chế giữ lại nào.

Đó là lý do tại sao họ kết hợp muối vào hydrogel, tạo ra một vật liệu có thể giữ ẩm và trương nở để giữ nhiều nước hơn. Gustav Graber, tác giả của nghiên cứu, cho biết đó là điều tốt nhất của cả hai thế giới. Graeber của Đại học Humboldt cho biết: “Hydrogel có thể lưu trữ rất nhiều nước và muối có thể thu được nhiều hơi nước.

Tuy nhiên, nhóm MIT phát hiện ra rằng các nghiên cứu trước đây đã đạt đến giới hạn về lượng muối mà họ có thể cho vào gel. Các mẫu hoạt động tốt nhất là hydrogel được truyền từ 4 đến 6 gam muối cho mỗi gam polyme. Họ giải thích rằng điều này hấp thụ 1,5 gam hơi trên mỗi gam vật liệu ở trạng thái khô với độ ẩm tương đối là 30%.

Các nghiên cứu trước đây đã cố gắng tổng hợp các mẫu bằng cách ngâm hydrogel trong nước muối và đợi muối thấm vào gel. Tuy nhiên, thí nghiệm kết thúc sau một hoặc hai ngày, vì các nhà nghiên cứu nhận thấy quá trình diễn ra quá chậm, không có nhiều muối được hấp thụ vào gel. Mẫu cũng không thể hấp thụ nhiều hơi nước.

Vượt qua những hạn chế

Để khám phá khả năng hấp thụ thêm muối với thời gian tổng hợp kéo dài, nhóm đã thực hiện các thí nghiệm sử dụng polyacrylamide, hydrogel và lithium clorua. Họ đã tổng hợp các ống hydrogel bằng kỹ thuật trộn thông thường. Sau đó, các ống này được cắt thành các đĩa mỏng và mỗi đĩa được ngâm trong dung dịch lithium clorua có nồng độ muối khác nhau.

Mỗi ngày, các nhà nghiên cứu lấy đĩa ra khỏi dung dịch, đo trọng lượng của nó và xác định lượng muối đã được truyền vào hydrogel. Các đĩa sau đó được đưa trở lại dung dịch tương ứng của chúng để tiếp tục quá trình tổng hợp. Cách tiếp cận này cho phép nhóm nghiên cứu theo dõi quá trình hấp thụ muối tích lũy theo thời gian.

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng với thời gian tổng hợp tăng lên, hydrogel thực sự có thể hấp thụ nhiều muối hơn. Sau khi ngâm hydrogel trong dung dịch muối trong 30 ngày, họ đã kết hợp được tới 24 gam muối trên mỗi gam polyme, đánh bại kỷ lục trước đó là 6 gam.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm các mẫu khác nhau của các hydrogel chứa đầy muối này để kiểm tra độ hấp thụ trong các điều kiện độ ẩm khác nhau. Đáng chú ý, mẫu thể hiện khả năng giãn nở và hấp thụ lượng ẩm cao hơn ở tất cả các mức độ ẩm mà không bị rò rỉ. Gel thu được 1,79 gam nước trên mỗi gam vật liệu dưới độ ẩm 30%.

Graeber cho biết: “Điều ngạc nhiên lớn và bất ngờ là, với cách tiếp cận đơn giản như vậy, chúng tôi đã có thể thu được mức hấp thụ hơi cao nhất được báo cáo cho đến nay”. “Ngay bây giờ, trọng tâm chính là động học và tốc độ chúng ta có thể làm cho vật liệu hấp thụ nước. Điều đó sẽ cho phép bạn quay vòng vật liệu này rất nhanh, để thay vì phục hồi nước mỗi ngày một lần, bạn có thể thu hoạch nước khoảng 24 lần một ngày.”

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Materials.