Un échafaudage hygroscopique créé à l'Université Rice est une forêt modifiée de nanotubes de carbone qui ont la capacité de récolter des molécules d'eau dans l'air. L'eau est stockée jusqu'à ce qu'elle soit libérée soit en pressant l'échafaudage réutilisable, soit jusqu'à ce qu'elle s'évapore lentement dans l'atmosphère. Crédit :Ajayan Group/Rice University
(Phys.org) — Si vous ne voulez pas mourir de soif dans le désert, être comme le scarabée. Ou ayez une tasse de nanotube à portée de main. De nouvelles recherches menées par des scientifiques de l'Université Rice ont démontré que des forêts de nanotubes de carbone peuvent être créées pour récolter des molécules d'eau dans l'air aride du désert et les stocker pour une utilisation future.
L'invention qu'ils appellent un "échafaudage hygroscopique" est détaillée dans un nouvel article du journal de l'American Chemical Society Matériaux appliqués et interfaces .
Des chercheurs du laboratoire du scientifique des matériaux de riz Pulickel Ajayan ont trouvé un moyen d'imiter le scarabée Stenocara, qui survit dans le désert en déployant ses ailes pour capturer et boire les molécules d'eau du brouillard matinal.
Ils ont modifié les forêts de nanotubes de carbone cultivées grâce à un processus créé à Rice, donnant aux nanotubes un fond superhydrophobe (hydrofuge) et un sommet hydrophile (qui aime l'eau). La forêt attire les molécules d'eau de l'air et, car les côtés sont naturellement hydrophobes, les emprisonne à l'intérieur.
"Il ne nécessite aucune énergie extérieure, et il garde l'eau à l'intérieur de la forêt, ", a déclaré l'étudiant diplômé et premier auteur Sehmus Ozden. "Vous pouvez presser la forêt pour extraire l'eau et réutiliser le matériau."
Les forêts cultivées par dépôt chimique en phase vapeur assistée par eau sont constituées de nanotubes qui ne mesurent que quelques nanomètres (milliardièmes de mètre) de diamètre et environ un centimètre de long.
Un échantillon d'échafaudage hygroscopique fabriqué à partir d'une forêt de nanotubes de carbone à l'Université Rice recueille et stocke les molécules d'eau de l'air même aride. Les molécules s'enfoncent dans la forêt de haut en bas, remplir jusqu'à 80 pour cent de l'échafaudage dans des conditions humides (à gauche), et moins dans des conditions tempérées (au centre) et sèches (à droite). Crédit :Ajayan Group/Rice University
L'équipe Rice dirigée par Ozden a déposé une couche superhydrophobe au sommet de la forêt puis a retiré la forêt de sa base de silicium, l'a retourné et a ajouté une couche de polymère hydrophile de l'autre côté.
Dans les essais, les molécules d'eau se sont liées au sommet hydrophile et ont pénétré dans la forêt par capillarité et gravité. (L'air à l'intérieur de la forêt est comprimé plutôt qu'expulsé, les chercheurs ont supposé.) Une fois qu'un peu d'eau se lie à la canopée de la forêt, l'effet se multiplie au fur et à mesure que les molécules sont attirées à l'intérieur, se répandant sur les nanotubes par les forces de van der Waals, liaisons hydrogène et interactions dipolaires. Les molécules attirent alors plus d'eau.
Les images au microscope électronique montrent le côté superhydrophobe (hydrofuge) (à gauche) d'un échafaudage hygroscopique créé à l'Université Rice. L'image de droite montre le côté hydrophile (qui aime l'eau). Crédit :Ajayan Group/Rice University
Les chercheurs ont testé plusieurs variantes de leur tasse. Avec seulement la couche hydrophile supérieure, les forêts se sont effondrées lorsqu'elles ont été exposées à l'air humide parce que le fond non traité n'avait pas les liens en polymère qui maintenaient le haut ensemble. Avec un haut et un bas hydrophiles, la forêt a tenu bon mais l'eau a traversé.
Mais avec un fond hydrophobe et un sommet hydrophile, la forêt est restée intacte même après avoir collecté 80 pour cent de son poids en eau.
La quantité de vapeur d'eau captée dépend de l'humidité de l'air. Un échantillon de 8 milligrammes (avec une surface de 0,25 centimètre carré) a absorbé 27,4 pour cent de son poids pendant 11 heures dans de l'air sec, et 80 pour cent sur 13 heures dans l'air humide. D'autres tests ont montré que les forêts ralentissaient considérablement l'évaporation de l'eau piégée.
S'il devient possible de faire pousser des forêts de nanotubes à grande échelle, l'invention pourrait devenir un outil efficace, dispositif de collecte d'eau efficace car il ne nécessite pas de source d'énergie externe, les chercheurs ont dit.
Une forêt traitée de nanotubes peut récupérer l'eau de l'air aride, selon des chercheurs de l'Université Rice. Le petit bloc, qui contient des millions de nanotubes de carbone, peut être modifié avec des polymères hydrophiles et hydrophobes qui le transforment en une tasse qui attire et contient les molécules d'eau jusqu'à ce qu'elles soient nécessaires. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Ozden a déclaré que la production de réseaux de nanotubes de carbone à une échelle nécessaire pour mettre l'invention en pratique reste un goulot d'étranglement. « S'il devient possible de faire des forêts de nanotubes à grande échelle, ce sera un matériau très facile à fabriquer, " il a dit.
Les co-auteurs sont le chercheur postdoctoral Liehui Ge, l'étudiante diplômée Amelia Hart et le professeur principal Robert Vajtai, tout riz; Ancien élève du riz Tharangattu Narayanan, un scientifique à l'Institut central de recherche électrochimique, Karaikudi, Inde; Hyunseung Yang, un étudiant diplômé de l'Institut coréen des sciences et de la technologie et ancien chercheur invité à Rice; et Srividya Sridhar, un étudiant diplômé à l'Université technologique de Delhi, Inde, et chercheur invité à Rice. Ajayan est le professeur Benjamin M. et Mary Greenwood Anderson de Rice en génie mécanique et science des matériaux et en chimie, et président du Département de science des matériaux et nano-ingénierie.
