استخراج آب آشامیدنی از هوا

یک همکاری علمی بین‌المللی، نانوماده جدیدی را برای برداشت کارآمد آب آشامیدنی پاک از بخار آب موجود در هوا توسعه داده است. این نانوماده می‌تواند بیش از سه برابر وزن خود آب را در خود نگه دارد و می‌تواند این کار را بسیار سریع‌تر از فناوری‌های تجاری موجود انجام دهد. این همکاری توسط اساتید مرکز عالی علوم و نوآوری کربن شورای تحقیقات استرالیا رهبری می‌شود.
یک گزارش از سازمان ملل متحد تخمین می‌زند که ۲.۲ میلیارد نفر از آب آشامیدنی سالم و مدیریت‌شده محروم هستند. از طرفی حدود ۱۳ میلیون گیگا لیتر آب معلق در جو وجود دارد. اگرچه این تنها کسری از کل آب روی زمین است، اما همچنان منبع قابل توجهی از آب شیرین محسوب می‌شود. فناوری جدید در هر منطقه‌ای که رطوبت کافی داشته باشد اما دسترسی یا دسترسی به آب آشامیدنی تمیز محدود باشد، کاربرد خواهد داشت.
این نانوماده جدید بر اساس شکل شناخته‌شده اکسید گرافن ساخته شده است که یک شبکه کربنی تک اتمی عامل‌دار شده با گروه‌های حاوی اکسیژن است. اکسید گرافن خواص جذب آب خوبی دارد، که این خواص آب را قادر می‌سازد تا به سطح یک ماده پیوند برقرار کند. کلسیم نیز خواص جذب آب خوبی دارد. تیم تحقیقاتی تصمیم گرفت ببیند اگر یون‌های کلسیم را در اکسید گرافن قرار دهید، چه اتفاقی می‌افتد.
یکی از ویژگی‌های مهم موادی که به طور موثر آب را جذب می‌کنند، پیوندهای هیدروژنی قوی بین آب و ماده‌ای است که روی آن جذب می‌شود، چیزی که اکسید گرافن و کلسیم هر دو دارند. هرچه پیوند هیدروژنی قوی‌تر باشد، ماده می‌تواند آب بیشتری جذب کند. اما وقتی کلسیم را در اکسید گرافن به اکسیژن اضافه می‌کنید، نوعی جادو اتفاق می‌افتد. بین کلسیم و اکسیژن یک هم‌افزایی وجود دارد که جذب فوق‌العاده آب را تسهیل می‌کند. چیزی که تیم تحقیقاتی کشف کرد این است که نحوه‌ی هماهنگی کلسیم با اکسیژن در گرافن، قدرت پیوندهای هیدروژنی بین آب و کلسیم را تغییر می‌دهد تا این پیوندها قوی‌تر شوند.
محققان مقدار آب جذب‌شده روی اکسید گرافن را به تنهایی اندازه‌گیری کردند و به فاکتور X رسیدند. مقدار آب جذب‌شده روی خود کلسیم را نیز اندازه‌گیری کردند و فاکتورY را به دست آوردند. وقتی مقدار آب جذب‌شده روی اکسید گرافنِ ترکیب‌شده با کلسیم را اندازه‌گیری کردند، مقدار بسیار بیشتری از X+Y به دست آمد. مثل این است که ۱+۱ برابر با عددی بزرگتر از ۲ باشد.
این پیوند هیدروژنی قوی‌تر از حد انتظار، یکی از دلایل توانایی فوق‌العاده این ماده در جذب آب است. همچنین به سبکی یک پر است. تیم تحقیقاتی یک تغییر طراحی دیگر نیز برای افزایش توانایی جذب آب این ماده انجام داد، آنها اکسید گرافنِ ترکیب‌شده با کلسیم را به شکل یک آئروژل، یکی از سبک‌ترین مواد جامد شناخته‌شده، ساختند. آئروژل‌ها مملو از منافذی با اندازه میکرو تا نانومتر هستند که به آنها مساحت سطح عظیمی می‌دهد، که به این آئروژل کمک می‌کند تا آب را بسیار سریع‌تر از اکسید گرافن استاندارد جذب کند. آئروژل همچنین به ماده خواص اسفنجی مانند می‌دهد که فرآیند دفع یا آزادسازی آب از غشا را آسان‌تر می‌کند.
تنها انرژی مورد نیاز این سیستم، مقدار کمی است که برای گرم کردن سیستم تا حدود ۵۰ درجه و آزاد کردن آب از آئروژل لازم است. شبیه‌سازی‌های مدل‌سازی شده بر روی ابررایانه، تعاملات هم افزایی پیچیده را در سطح مولکولی توضیح دادند و این بینش‌ها اکنون به طراحی سیستم‌های حتی بهتر برای تولید آب جوی کمک می‌کنند و یک راه حل پایدار برای چالش رو به رشد دسترسی به آب شیرین در استرالیا و مناطق کم آب در سراسر جهان ارائه می‌دهند. این تحقیق، کشف علم بنیادی پشت فرآیند جذب رطوبت و نقش پیوند هیدروژنی است. این دانش به تأمین آب آشامیدنی تمیز برای بخش بزرگی از آن که به آن دسترسی ندارند کمک خواهد کرد و تأثیر اجتماعی تحقیق را نشان می‌دهد.