Images d'un réseau de micro-arbres en gel PVA/PPy fabriqué représentatif. Barre d'échelle :1 cm. Crédit : Institut de technologie de Californie
De minuscules structures inspirées de la forme des épines de cactus permettent à un matériau nouvellement créé de recueillir l'eau potable de l'air de jour comme de nuit, combinant deux technologies de récupération d'eau en une seule.
Le matériel, une membrane hydrogel micro-architecturée (nous y reviendrons plus tard), peut produire de l'eau grâce à la génération solaire de vapeur-eau et à la collecte de brouillard, deux processus indépendants qui nécessitent généralement deux appareils distincts. Un article sur le matériel a été publié dans Communication Nature le 14 mai.
La collecte de brouillard est exactement ce que cela ressemble. La nuit, les nuages bas le long des côtes maritimes sont chargés de gouttelettes d'eau. Les appareils qui peuvent fusionner et collecter ces gouttelettes peuvent transformer le brouillard en eau potable.
La production de vapeur solaire est une autre technique de collecte d'eau. Il fonctionne particulièrement bien dans les zones côtières car il est également capable de purifier l'eau, bien que cela fonctionne pendant la journée au lieu de la nuit. Dans la méthode, la chaleur du soleil provoque l'évaporation de l'eau en vapeur, qui provoque l'évaporation de l'eau en vapeur, qui peut être condensé dans l'eau potable.
Parce que les deux technologies fonctionnent dans des conditions si différentes, ils nécessitent généralement différents matériaux et appareils pour les faire fonctionner. Maintenant, un matériau développé à Caltech pourrait les combiner en un seul appareil, travailler pour produire de l'eau propre 24 heures sur 24.
Images d'une micro-topologie d'arbre représentatif individuel. Barre d'échelle :1 mm. Crédit : Institut de technologie de Californie
« La pénurie d'eau est un énorme problème que l'humanité devra surmonter alors que la population mondiale continue de croître, " dit Julia R. Greer, le professeur Ruben F. et Donna Mettler de science des matériaux, Mécanique et génie médical et directeur de la Fondation Fletcher Jones du Kavli Nanoscience Institute. "L'eau couvre les trois quarts du globe, mais seulement environ un demi pour cent est disponible en eau douce."
Greer a passé sa carrière à développer des matériaux micro et nano architecturés; C'est, matériaux dont les formes mêmes (contrôlées à chaque échelle de longueur, nanoscopiques et microscopiques) leur confèrent des propriétés inhabituelles et potentiellement utiles. Dans ce cas, Greer a collaboré avec Ye Shi, anciennement chercheur postdoctoral à Caltech et maintenant chercheur postdoctoral à UCLA, pour créer une membrane de minuscules épines disposées qui ressemblent à des arbres de Noël mais sont en fait inspirées par la forme des épines de cactus.
"Les cactus sont particulièrement adaptés pour survivre aux climats secs, " dit Shi. " Dans notre cas, ces épines, que nous appelons 'micro-arbres, " attirer des gouttelettes d'eau microscopiques en suspension dans l'air, leur permettant de glisser le long de la base de la colonne vertébrale et de fusionner avec d'autres gouttelettes en gouttes relativement lourdes qui finissent par converger dans un réservoir d'eau qui peut être utilisé.
Les épines sont construites à partir d'un hydrogel; C'est, un réseau de polymères hydrophiles (qui aiment l'eau) qui attirent naturellement l'eau. En raison de leur petite taille, ils peuvent être imprimés sur une membrane ultrafine. Au cours de la journée, la membrane hydrogel absorbe la lumière du soleil pour chauffer l'eau emprisonnée en dessous, qui devient vapeur. La vapeur se recondense ensuite sur un couvercle transparent, où il peut être récupéré. Au cours de la nuit, le couvercle transparent se replie et la membrane hydrogel est exposée à l'air humide pour capturer le brouillard. En tant que tel, le matériau peut récupérer l'eau de la vapeur et du brouillard.
Lors d'un test de fonctionnement effectué pendant la nuit, des échantillons de matériaux d'une superficie comprise entre 55 et 125 centimètres carrés ont pu collecter environ 35 millilitres d'eau du brouillard. Dans les tests pendant la journée, le matériau était capable de collecter environ 125 millilitres de vapeur solaire.
Structure poreuse de la matrice de gel. Crédit : Institut de technologie de Californie
La conception exacte de la membrane a été créée à l'aide du programme de conception SolidWorks.
L'hydrogel lui-même est un gel composite alcool polyvinylique/polypyrrole (PVA/PPy), un matériau non toxique et souple utilisé dans de nombreuses applications notamment dans les condensateurs, capteurs de contrainte et de température portables, et piles.
Pour affiner le dessin des micro-arbres, Greer et Shi ont travaillé avec Harry Atwater de Caltech, Professeur Howard Hughes de physique appliquée et de science des matériaux; et Ognjen Ilic, ancien chercheur postdoctoral à Caltech et maintenant professeur adjoint Benjamin Mayhugh en génie mécanique à l'Université du Minnesota.
En utilisant la modélisation informatique, Ilic a calculé la répartition de la chaleur dans les micro-arbres pour aider à définir la taille et la forme qui seraient les plus efficaces pour puiser l'eau de l'air. Avec cette preuve de concept réussie, l'équipe espère maintenant trouver un partenaire privé capable de commercialiser la technologie pour les régions pauvres en eau.
"C'est vraiment inspirant qu'une membrane polymère hydrophile relativement simple puisse être façonnée dans une morphologie qui ressemble à des épines de cactus et être capable d'améliorer considérablement la collecte d'eau. Je suppose que l'évolution fonctionne vraiment, " dit Greer.
Les Communication Nature Le document est intitulé « Récolte d'eau douce toute la journée par des membranes d'hydrogel microstructurées ».
