Čistě náhodné pozorování vedlo k překvapivému objevu: Vědci narazili na celou novou třídu nanostrukturovaných materiálů, které mohou těžit vodu z okolního vzduchu, hromadit ji v pórech a uvolňovat ji na povrchy, aniž je nutné dodávat energii.
Vedoucí týmu Daeyeon Lee přiznává, že se s kolegy v Laboratoři chemického inženýrství na Pensylvánské univerzitě nesnažili zachytávat vodu. Pracovali na jiném projektu, v němž testovali materiály s kombinací hydrofilních nanopórů a hydrofobních polymerů. V jednu chvíli si ale všimli, že se na materiálu, který testují, objevují kapičky vody, i když jim to nedávalo žádný smysl. Zaujalo je to a rozhodli se zjistit víc.
Než vědci pochopili, co se děje, nejprve si mysleli, že voda jednoduše kondenzuje na povrchu materiálu v důsledku artefaktu jejich experimentálního nastavení, jako je například teplotní gradient v laboratoři. Aby to vyloučili, zvětšili tloušťku materiálu a zkoumali, zda se změní množství vody shromážděné na povrchu.
„Pokud by to, co jsme pozorovali, bylo způsobeno pouze povrchovou kondenzací, tloušťka materiálu by nezměnila množství přítomné vody,“ vysvětluje Lee.
Celkové množství nashromážděné vody se však s rostoucí tloušťkou filmu zvyšovalo, což dokazuje, že kapky vody tvořící se na povrchu pocházely zevnitř materiálu.
Ještě překvapivější je, že kapky se neodpařovaly rychle, jak by termodynamika předpovídala.
„Podle zakřivení a velikosti kapiček by se měly odpařovat,“ říká Patel. „Ale neodpařovaly se; zůstaly stabilní po delší dobu.“
Nakonec z toho vzešel detailní výzkum nového typu amfifilního nanoporézního materiálu, v němž se mísí komponenty s hydrofilními a s hydrofobními vlastnostmi a vzniká unikátní nanostruktura. Výsledkem je materiál, který pohlcuje vlhkost ze vzduchu a současně vytlačuje kapky vody, které je možné dále využít.
Voda obvykle kondenzuje na površích, když dojde k poklesu teploty nebo při velmi vysoké vlhkosti vzduchu. Nový materiál Leeova týmu ale funguje odlišně. Namísto ochlazování využívá kapilární kondenzaci, proces, při němž vodní pára kondenzuje uvnitř pórů velmi malé velikosti i při nízké vlhkosti vzduchu. To není úplná novinka. U dosavadních nanoporézních materiálů ale voda zůstává uvnitř pórů.
U nového materiálu dochází k tomu, že se voda objeví na povrchu v podobě kapiček. Materiál by tak mohl nalézt široké uplatnění, od zařízení pro získávání vody v suchých oblastech až po chlazení elektroniky nebo budov.
Náčrt makroskopické tvorby vodních kapiček na amfifilních nanoporézních PINF: Schematické znázornění procesu výroby filmu technikou CaRI (A);
Průřezové SEM snímky reprezentativních filmů [~250 nm silný PE-infiltrovaný SiO2 NP (22 nm) film] jako funkce ϕPE.n označuje efektivní index lomu filmu při vlnové délce 632,8 nm (B);
Schematické zobrazení znázorňující izotermickou tvorbu makroskopických vodních kapiček na povrchu filmu pod tlakem nasycené páry. Film indukuje kapilární kondenzaci vodní páry do dutin za podmínek subsaturace a kapilární kondenzát v dutinách spontánně vyzařuje na povrch filmu (C);
Reprezentativní snímky z pohledu shora z optické mikroskopie izotermicky vytvořených makroskopických vodních kapiček na povrchu filmu (~370 nm silný PE-infiltrovaný SiO2 NP [7 nm] film s ϕPE 0,13) při relativní vlhkosti 97 % (D)
© University of Pennsylvania