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                  新材料幫助人們白天和晚上都能收集空氣中的水
                  編輯:尚蒙科技無錫有限公司   時間:2021-05-26

                  據自然子刊,自然通訊雜志報道,美國加州工學院科學家受仙人掌刺形狀啟發的微小結構使新創建的材料可以在白天和黑夜從空氣中收集飲用水,并將兩種集水技術結合在一起。

                  Translation results

                  這種材料是一種微結構的水凝膠膜(稍后會詳細介紹),可以通過太陽能蒸汽-水的產生和霧氣的收集來生產水,這是兩個獨立的過程,通常需要兩個單獨的設備。關于該材料的論文于5月14日發表在《自然通訊》上。 霧的收集正是聽起來的樣子。到了晚上,沿海低洼的云層上布滿了水滴??梢跃劢Y并收集這些液滴的設備可以將霧化為飲用水。 太陽能蒸汽發電是另一種集水技術。盡管它在白天而不是在晚上工作,但它也能夠凈化水,因此在沿海地區尤其有效。在該方法中,來自太陽的熱量導致水蒸發成蒸汽,這導致水蒸發成蒸汽,然后可以將其冷凝成飲用水。 由于這兩種技術在不同的條件下運行,因此它們通常需要不同的材料和設備才能發揮作用?,F在,加州理工學院開發的一種材料可以將它們組合為一個設備,一天24小時不間斷地產生干凈的水。

                  “隨著世界人口的不斷增長,水資源短缺是人類需要克服的一個巨大問題,” Ruben F. and Donna Mettler的材料科學,力學和醫學工程教授,弗萊徹·瓊斯基金會主任朱莉婭·格里爾(Julia R. Greer)說??ǚ蚶{米科學研究所。 “水占全球的四分之三,但只有約一半的百分之一的淡水可供使用?!?/p>


                  格里爾(Greer)的職業生涯是開發微結構和納米結構材料。就是說,材料的形狀(在每種長度尺度,納米和微觀上都可以控制)賦予了它們不尋常的和潛在的有用特性。在這種情況下,Greer與葉石合作,后者是加州理工學院的博士后學者,現在是加州大學洛杉磯分校的博士后學者,創建了一個排列成陣列的細刺的膜,這些膜類似于圣誕樹,但實際上受到了仙人掌刺形狀的啟發。


                  “仙人掌特別適應干旱氣候?!?Shi說。 “在我們的例子中,這些棘突,我們稱之為'微樹',吸引了懸浮在空中的微小水滴,使它們沿著脊柱底部滑動并與其他水滴聚結成相對較重的水滴,最終匯入可以利用的水庫?!?/p>

                  刺是由水凝膠制成的。 也就是自然吸引水的親水性(親水性)聚合物網絡。 由于它們的尺寸很小,它們可以印在薄薄的晶圓上。 白天,水凝膠膜吸收陽光以加熱陷在其下方的水,該水變成蒸汽。 然后,蒸汽重新冷凝到透明蓋上,可以在那里收集蒸汽。 在晚上,透明蓋會折疊起來,水凝膠膜會暴露在潮濕的空氣中以捕獲霧氣。 這樣,該材料可以從蒸汽和霧中收獲水。


                  在夜間進行的一項操作測試中,材料樣本的面積為55-125平方厘米,能夠從霧中收集約35毫升的水。 在一天的測試中,該材料能夠從太陽蒸汽中收集約125毫升。



                  膜的確切設計是使用設計程序SolidWorks創建的。


                  水凝膠本身是聚乙烯醇/聚吡咯(PVA / PPy)復合凝膠,是一種無毒且柔軟的材料,廣泛用于電容器,可穿戴的應變和溫度傳感器以及電池等應用中。


                  為了對微樹的設計進行微調,Greer和Shi與加州理工學院的哈里·阿特沃特(Harry Atwater),霍華德·休斯(Howard Hughes)應用物理與材料科學教授一起工作。和Ognjen Ilic,曾任加州理工學院的博士后學者,現在是明尼蘇達大學的機械工程助理教授本杰明·梅休(Benjamin Mayhugh)。


                  利用計算機建模,Ilic計算了微樹內的熱量分布,以幫助定義最有效地從空氣中吸水的尺寸和形狀。通過這一成功的概念驗證,該團隊現在希望找到一個私人合作伙伴,該合作伙伴能夠將該技術商業化用于缺水地區。


                  “真正令人鼓舞的是,相對簡單的親水性聚合物膜可以形成類似于仙人掌刺的形態,并能夠極大地增強集水能力。我猜想進化的確奏效,”格里爾說。


                  《自然通訊》的論文標題為“通過微結構化水凝膠膜全天收集淡水”。


                  More information: Ye Shi et al, All-day fresh water harvesting by microstructured hydrogel membranes, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-23174-0

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