Международная группа ученых создала новый наноматериал, который эффективно добывает чистую питьевую воду из атмосферной влаги.

Он впитывает в три раза больше собственного веса и делает это быстрее, чем существующие технологии.

Это открывает перспективы для получения питьевой воды прямо из воздуха.

Исследованием руководили профессор Ракеш Джоши из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) и нобелевский лауреат Константин Новоселов из Национального университета Сингапура.

Результаты опубликованы в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.

По данным ООН, 2,2 миллиарда людей не имеют доступа к безопасной питьевой воде. При этом в атмосфере содержится около 13 миллионов гигалитров воды (для сравнения: в Сиднейской гавани — всего 500 гигалитров).

Хотя это капля в море по сравнению с общими запасами воды на планете, такой источник может стать спасением для засушливых регионов.

Наша технология пригодится везде, где есть высокая влажность, но нет доступа к чистой воде, — говорит Джоши.

Новоселов добавляет:

Это отличный пример того, как междисциплинарное сотрудничество помогает решить одну из главных проблем человечества.

Как это работает

Основу материала составляет оксид графена — углеродная решетка толщиной в один атом с кислородными группами. Он хорошо впитывает воду, но ученые решили усилить этот эффект, добавив ионы кальция. Результат превзошел ожидания.

Оказалось, что кальций и кислород в составе графена создают синергию: их взаимодействие усиливает водородные связи с молекулами воды.

Мы ожидали, что свойства просто сложатся, но получили больше, чем сумма частей, — объясняет Сяоцзюнь (Карлос) Рэнь, ведущий автор исследования.

Чтобы ускорить процесс, материал сделали в форме аэрогеля — сверхлегкого пористого вещества с огромной площадью поверхности. Он впитывает воду быстрее обычного оксида графена, а для ее извлечения достаточно нагреть его до 50 градусов.

Аэрогель — это ультралегкий материал, состоящий из сети микроскопических пор. Он на 99% состоит из воздуха, но при этом обладает высокой прочностью и огромной площадью поверхности. Благодаря этому аэрогели отлично впитывают жидкости и газы, что делает их идеальными для фильтрации или хранения веществ.

Роль суперкомпьютера

Расчеты проводились на австралийском суперкомпьютере NCI.

Моделирование помогло понять механизм на молекулярном уровне, и теперь мы можем проектировать еще более эффективные системы, — говорит профессор Амир Картон.

Пока это фундаментальное исследование, но промышленные партнеры уже работают над масштабированием технологии.

Мы раскрыли научную основу процесса, и это знание поможет обеспечить водой миллионы людей, — отмечает соавтор работы, профессор Лиминг Дай.

В проекте участвовали ученые из Австралии, Китая, Японии, Сингапура и Индии.

Главное преимущество технологии — ее энергоэффективность. Большинство существующих методов опреснения или сбора атмосферной воды требуют значительных затрат энергии, а здесь достаточно небольшого нагрева. Это критически важно для удаленных регионов с ограниченными ресурсами.

Кроме того, материал легкий и компактный, что упрощает его транспортировку. Его можно использовать:

• в засушливых прибрежных зонах (где высокая влажность);
• в зонах стихийных бедствий;
• в походных условиях.

Потенциально технология может интегрироваться в системы умного дома или даже в одежду для выживания.

Основной вопрос — долговечность материала. Графеновые структуры со временем могут деградировать из-за окисления или механического износа. В статье нет данных о том, как много циклов адсорбции-десорбции выдерживает аэрогель без потери эффективности. Также неясна стоимость производства в промышленных масштабах: если она окажется высокой, технология останется нишевой.

Ранее ученые разработали сенсор для ранней диагностики болезни почек.