Аэрогель с нанотрубками превратили в солнечный парогенератор

Китайские ученые создали трубку, способную поднимать жидкость благодаря капиллярному эффекту, а также испарять ее благодаря эффективному поглощению тепла от солнечного излучения. Потенциально такую конструкцию можно использовать для очистки воды от примесей или соли без использования электроэнергии, рассказывают авторы статьи, опубликованной в ACS Nano.

Жители многих регионов мира имеют крайне ограниченный доступ к чистой воде, а также полноценным очистным станциям и личным фильтрующим устройствам. Кроме того, некоторые регионы вовсе страдают от нехватки любой воды из-за отсутствия рек и водоемов, или сезонных засух. Ученые из разных стран разрабатывают для решения этой проблемы простые и недорогие устройства для получения чистой воды. К примеру, в прошлом году американцы успешно испытали в условиях Аризоны установку для поглощения воды из воздуха, работающую на солнечной энергии.

Ученые под руководством Хао Бая (Hao Bai) из Чжэцзянского университета создали аэрогелевую конструкцию, способную подобно деревьям благодаря капиллярному эффекту поднимать жидкость наверх к области со слоем углеродных нанотрубок, эффективно поглощающих солнечный свет и нагревающих воду.

В качестве основы исследователи взяли полиакриламид. Из него они создавали аэрогель с большим количеством пор и пересекающихся каналов. Помимо пористости структура, созданная в аэрогеле, также имеет радиальное строение в виде расходящихся от центра лучей, «подсмотренное» учеными у болотного кипариса. Эти деревья обычно встречаются на берегах водоемов и рек, причем они стоят прямо в воде. Такое строение позволяет им быстро и высоко поднимать воду по стволу.

Для создания радиальной структуры ученые воспользовались распространенным методом, применяемым для этой задачи. Изначально ученые создавали водный раствор мономера, кросс-линкера (вещества, отвечающего за «сшивание» мономеров в полимер) и фотоинициатора (вещества, инициирующего создание полимера под действием облучения). Затем этот раствор заливали в медную трубку, погруженную в замороженный этиловый спирт с температурой −90 градусов Цельсия.

Метод основан на том, что между краем трубки и ее центром образуется температурный градиент, вдоль которого происходит кристаллизация. После этого получившуюся замороженную трубку облучали ультрафиолетом с длиной волны 365 нанометров, а затем подвергали сублимационной сушке, при которой из трубки удаляется вода. На последнем этапе на один из концов получившихся аэрогельных трубок наносили многостенные углеродные нанотрубки.

Испытания показали, что трубки с пористо-радиальной структурой работают эффективнее трубок с другой конструкцией — они способны поднять воду на сантиметр за секунду, на девять сантиметров за пять минут и на 28 сантиметров за три часа и десять минут. Кроме того, конец трубки с углеродными нанотрубками способен создавать пар под действием облучения с интенсивностью два килограмма на квадратный метр поверхности в час.

Помимо капиллярного подъема в узких каналах существуют и другие необычные примеры поведения жидкости. В 2017 году физики с помощью симуляции показали, что, если составить из поверхностей с разной смачиваемостью ступеньки, при определенных параметрах капля жидкости может самопроизвольно начать подниматься вверх по этим ступенькам.

Григорий Копиев