Um andaime higroscópico criado na Rice University é uma floresta modificada de nanotubos de carbono que tem a capacidade de coletar moléculas de água do ar. A água é armazenada até ser liberada ao apertar o andaime reutilizável ou até que evapore lentamente de volta para a atmosfera. Crédito:Ajayan Group / Rice University
(Phys.org) —Se você não quiser morrer de sede no deserto, seja como o besouro. Ou tenha um copo de nanotubo à mão. Uma nova pesquisa feita por cientistas da Rice University demonstrou que florestas de nanotubos de carbono podem ser feitas para coletar moléculas de água do ar árido do deserto e armazená-las para uso futuro.
A invenção que eles chamam de "andaime higroscópico" é detalhada em um novo artigo na revista American Chemical Society Materiais Aplicados e Interfaces .
Os pesquisadores do laboratório do cientista de materiais do arroz Pulickel Ajayan descobriram uma maneira de imitar o besouro Stenocara, que sobrevive no deserto esticando suas asas para capturar e beber moléculas de água da névoa da manhã.
Eles modificaram as florestas de nanotubos de carbono cultivadas por meio de um processo criado em Rice, dando aos nanotubos um fundo super-hidrofóbico (repelente à água) e um topo hidrofílico (que ama água). A floresta atrai moléculas de água do ar e, porque os lados são naturalmente hidrofóbicos, os prende dentro.
"Não requer nenhuma energia externa, e mantém a água dentro da floresta, "disse o estudante de pós-graduação e primeiro autor Sehmus Ozden." Você pode espremer a floresta para tirar a água e usar o material novamente. "
As florestas cultivadas por meio de deposição química de vapor assistida por água consistem em nanotubos que medem apenas alguns nanômetros (bilionésimos de metro) de diâmetro e cerca de um centímetro de comprimento.
Uma amostra de estrutura higroscópica feita de uma floresta de nanotubos de carbono na Rice University coleta e armazena moléculas de água até mesmo do ar árido. As moléculas afundam na floresta de cima para baixo, enchendo até 80 por cento do andaime em condições úmidas (esquerda), e menos em condições temperadas (centro) e secas (direita). Crédito:Ajayan Group / Rice University
A equipe do Rice liderada por Ozden depositou uma camada superhidrofóbica no topo da floresta e, em seguida, removeu a floresta de sua base de silício, virou-o e adicionou uma camada de polímero hidrofílico ao outro lado.
Em testes, as moléculas de água se ligaram ao topo hidrofílico e penetraram na floresta por ação capilar e gravidade. (O ar dentro da floresta é comprimido em vez de expelido, os pesquisadores presumiram.) Uma vez que um pouco de água se liga ao dossel da floresta, o efeito se multiplica conforme as moléculas são atraídas para dentro, espalhando-se pelos nanotubos por meio das forças de van der Waals, ligações de hidrogênio e interações dipolo. As moléculas então atraem mais água.
As imagens do microscópio eletrônico mostram o lado super-hidrofóbico (repelente de água) (à esquerda) de um andaime higroscópico criado na Rice University. A imagem à direita mostra o lado hidrofílico (amante da água). Crédito:Ajayan Group / Rice University
Os pesquisadores testaram várias variantes de seu copo. Com apenas a camada hidrofílica superior, as florestas se desintegraram quando expostas ao ar úmido porque o fundo não tratado não tinha as ligações de polímero que mantinham o topo unido. Com uma parte superior e inferior hidrofílicas, a floresta se manteve unida, mas a água correu direto.
Mas com um fundo hidrofóbico e topo hidrofílico, a floresta permaneceu intacta mesmo depois de coletar 80% de seu peso na água.
A quantidade de vapor d'água capturado depende da umidade do ar. Uma amostra de 8 miligramas (com uma superfície de 0,25 centímetro quadrado) puxou 27,4 por cento de seu peso ao longo de 11 horas em ar seco, e 80 por cento ao longo de 13 horas em ar úmido. Outros testes mostraram que as florestas diminuíram significativamente a evaporação da água aprisionada.
Se for possível cultivar florestas de nanotubos em grande escala, a invenção pode se tornar um eficiente, dispositivo de coleta de água eficaz porque não requer uma fonte de energia externa, disseram os pesquisadores.
Uma floresta tratada de nanotubos pode coletar água do ar árido, de acordo com pesquisadores da Rice University. O pequeno bloco, que contém milhões de nanotubos de carbono, pode ser alterado com polímeros hidrofílicos e hidrofóbicos que o transformam em um copo que atrai e contém moléculas de água até que sejam necessárias. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Ozden disse que a produção de matrizes de nanotubos de carbono na escala necessária para colocar a invenção em uso prático continua sendo um gargalo. “Se for possível fazer florestas de nanotubos em grande escala, será um material muito fácil de fazer, " ele disse.
Os co-autores são o pesquisador de pós-doutorado Liehui Ge, a estudante de pós-graduação Amelia Hart e o colega sênior do corpo docente Robert Vajtai, tudo de arroz; Tharangattu Narayanan, ex-aluno do Rice, um cientista do Central Electrochemical Research Institute, Karaikudi, Índia; Hyunseung Yang, um estudante de graduação no Instituto de Ciência e Tecnologia da Coreia e ex-bolsista visitante da Rice; e Srividya Sridhar, um estudante de pós-graduação na Universidade Tecnológica de Delhi, Índia, e professor visitante na Rice. Ajayan é Benjamin M. e Mary Greenwood Anderson Professor de Rice em Engenharia Mecânica e Ciência de Materiais e de Química, e presidente do Departamento de Ciência de Materiais e NanoEngenharia.
