Le déplacement efficace de l'eau vers le haut contre la gravité est un exploit majeur de l'ingénierie humaine, pourtant celui que les arbres maîtrisent depuis des centaines de millions d'années. Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont conçu un système de transport d'eau inspiré des arbres qui utilise des forces capillaires pour faire monter l'eau sale à travers un aérogel à structure hiérarchique, où il peut ensuite être converti en vapeur par l'énergie solaire pour produire du frais, eau propre.

Les chercheurs, dirigé par Aiping Liu à l'Université Sci-Tech du Zhejiang et Hao Bai à l'Université du Zhejiang, ont publié un article sur la nouvelle méthode de transport de l'eau et de génération de vapeur solaire dans un récent numéro de ACS Nano . À l'avenir, les méthodes efficaces de transport de l'eau ont des applications potentielles dans la purification et le dessalement de l'eau.

« Notre méthode de préparation est universelle et peut être industrialisée, " Liu a dit Phys.org . "Nos matériaux ont d'excellentes propriétés et une bonne stabilité, et peut être réutilisé plusieurs fois. Cela offre la possibilité d'un dessalement et d'un traitement des eaux usées à grande échelle à l'avenir. »

Le nouveau système se compose de deux éléments principaux :un long, poreux, aérogel ultraléger pour transporter l'eau, et une couche de nanotubes de carbone au-dessus de l'aérogel pour absorber la lumière du soleil et transformer l'eau en vapeur. Le système est enfermé dans un récipient en verre. L'eau monte à travers les pores de l'aérogel en raison des forces capillaires, qui sont causées par l'adhérence entre les molécules d'eau et la surface interne des pores. Une fois que l'eau atteint le sommet, la couche de nanotubes de carbone chauffée à l'énergie solaire chauffe l'eau en vapeur, en laissant tout contaminant derrière. La vapeur se condense sur les parois du récipient en verre environnant, formant des gouttelettes d'eau qui s'écoulent vers le fond du récipient dans un réservoir pour la collecte.

Cette conception est très similaire à celle utilisée par les plantes. Les plantes contiennent de nombreux petits vaisseaux de xylème qui attirent l'eau du sol à travers leurs branches et leurs feuilles, parfois à des centaines de pieds dans les airs. Une fois que l'eau atteint les feuilles, le rayonnement solaire provoque l'évaporation de l'eau à travers de minuscules pores dans les feuilles, similaire au générateur de vapeur solaire au carbone.

Recréer un système de transport d'eau arborescent efficace a été un défi, avec la plupart des tentatives précédentes présentant des vitesses de transport relativement lentes, courtes distances de transport, et une diminution des performances lors du transport des eaux usées et de l'eau de mer par rapport à l'eau propre. Avec le nouveau design d'aérogel, les chercheurs ont démontré des améliorations dans tous ces domaines, atteindre une performance de flux ascendant de 10 cm dans les 5 premières minutes et de 28 cm après 3 heures. Le système fonctionne aussi bien avec de l'eau propre, eau de mer, eaux usées, et les eaux souterraines sablonneuses. En outre, le collecteur de chaleur au charbon atteint un rendement de conversion énergétique élevé allant jusqu'à 85 %.

La clé des améliorations était la conception soignée de l'architecture de l'aérogel. Pour fabriquer le matériel, les chercheurs ont versé les ingrédients de l'aérogel dans un tube de cuivre, qu'ils ont ensuite soumis à un gradient de température où l'extrémité froide du tube était à -90 degrés Celsius. Cela a provoqué la croissance des cristaux de glace dans un motif à l'intérieur de l'aérogel le long du gradient de température. Après lyophilisation du tube, l'aérogel résultant présentait une structure hiérarchique avec des canaux alignés radialement, pores microscopiques, surfaces intérieures froissées, et des maillages moléculaires. Ces minuscules structures ont toutes contribué aux bonnes performances de l'aérogel.

À l'avenir, les chercheurs prévoient d'améliorer encore les performances du système pour préparer les candidatures.

« Nous espérons optimiser davantage le schéma expérimental et réaliser une production à grande échelle, " Liu a dit. " Nous espérons également améliorer encore la longueur de l'adduction d'eau, la vitesse d'adduction d'eau, et l'efficacité de la collecte de l'eau, afin de mieux réaliser les applications pratiques."

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