Материал из корней конняку захватил 13 литров воды из атмосферы
Американские
материаловеды разработали
недорогой и эффективный сорбент для
захвата воды
из атмосферы на
основе материала из корней растения
конняку.
За
сутки можно получить до 13,3 литра чистой
воды на каждый килограмм сорбента.
Результаты
исследования опубликованы
в журнале Nature
Communications.
Уже
сегодня две трети населения Земли в той или иной мере сталкиваются
с проблемой нехватки чистой воды. Ученые
ищут новые способы для
получения чистой воды, и один из них —
захват воды из атмосферы с
помощью пористых сорбентов.
Вода
скапливается в порах материала, а наружу
ее можно извлечь, например,
под действием тепла.
Подобные
устройства для захвата воды можно делать
небольшими и мобильными и размещать
даже в отдаленных районах без доступа
к электричеству — для нагрева хватит
солнечной энергии.
Однако найти идеальный сорбент
не так просто. Во-первых,
далеко
не все сорбенты способны поглощать воду
из сухого пустынного воздуха с
относительной влажностью менее 30
процентов —
то
есть как раз в
тех районах,
где она
больше всего нужна.
Во-вторых, желательно найти материал,
который бы удовлетворял двум почти
противоречащим друг другу условиям —
сначала
быстро
поглощал воду, а
затем быстро отдавал. Вдобавок ко всем
требованиям сорбент должен быть
недорогим
и
доступным.
Получить дешевый и эффективный сорбент сумели материаловеды из Техасского Университета в Остине под руководством Гуя Хуа Юя (Guihua Yu). Группа Юя — одна из ведущих в разработке полимерных сорбентов для улавливания воды. Например, в марте мы писали об их новом гибридном сорбенте на основе цвиттер-ионного полимера с рекордной скоростью сорбции.
В новом исследовании главным приоритетом для Юя и его коллег стала доступность материалов и возможность масштабирования. За основу материала они взяли глюкоманнан — природный полисахарид, добываемый из корней растения конняку (Amorphophallus konjac) Это тот самый материал, из которого делают популярные в косметологии спонжи конняку. К нему добавили термочувствительный полимер гидроксипропилцеллюлозу (водорастворимое производное целлюлозы, в котором некоторые гидроксильные группы заменены на оксигидроксипропильные) и хлорид лития LiCl.
Получить сорбирующий материал несложно. Достаточно приготовить водный раствор трех компонентов и вылить его в чашку Петри. По мере испарения растворителя, происходит процесс желирование — образования монолитной полимерной пленки, в которой волокна глюкоманнана и гидроксипропилцеллюлозы соединены множеством водородных связей. После выдерживания в холодильнике в течение двенадцати часов, полученная пленка становится достаточно прочной, чтобы ее можно было отделить от чашки Петри. Материал имеет множество иерархично расположенных пор средним размером 20-50 микрометров.
В поисках оптимального состава, ученые варьировали количество хлорида лития и гидроксипропилцеллюлозы. Ученые остановились на 7,3 массовых процентах хлорида лития. Если добавить больше этой соли, можно еще немного повысить общее количество поглощенной воды, но процесс будет идти медленнее. Добавки гидроксипропилцеллюлозы, напротив, немного снижали количество поглощаемой воды, но заметно ускоряли процесс ее извлечения. После оптимизации состава, один грамм материала собирал 0,64 грамма, 0,96 грамма и 1,53 грамма воды при относительной влажности 15, 30 и 60 процентов соответственно.
Для извлечения воды достаточно нагреть пленку до температуры 60 градусов Цельсия. Оказалось, что скорость извлечения практически не зависит от влажности — в диапазоне от 15 до 60 процентов относительной влажности она была постоянной.
Чтобы проверить свойства нового материала на практике, Юй и его коллеги собрали небольшую установку: емкость с сорбентом, нагреватель и наклонный конденсатор. При относительной влажности 30 процентов за сутки удалось провести 24 цикла сбора воды (30 минут уходило на сбор и 30 минут на извлечение) а при относительной влажности 15 процентов — 14 циклов (70 минут на сбор, 30 минут на извлечение). При относительной влажности 30 процентов всего получилось собрать 13,3 литра чистой воды на каждый килограмм сорбента, а при относительной влажности 15 процентов — 5,8 литра.
Целлюлоза
— дешевый природный полимер, который
привлекает все больше внимания ученых.
Из целлюлозы
можно сделать не только сорбенты для
сбора воды из воздуха, но и биоразлагаемые
соломинки для напитков и даже корпус
для смартфона.
Наталия
Самойлова
Она работает на очень низком напряжении, безопасном для человека
Американские ученые создали искусственную кожу, которая может превращать ощущения в электрические сигналы и передавать их в мозг. Кожа эластичная и работает на низком напряжении, что делает ее безопасной и устойчивой к растяжениям. Электрическую кожу протестировали на крысах, но ученые надеются в будущем добавить ее в протезы для людей. Работа опубликована в журнале Science. У настоящей кожи есть несколько функций. Помимо того, что она защищает организм от внешней среды, кожа чувствует температуру, вибрацию, прикосновения и другие ощущения, без чего сложно взаимодействовать с окружающим миром. Поэтому людям часто сложно пользоваться протезами: они не всегда хорошо передают ощущения. Ученые давно пытаются сделать протезы более чувствительными, в том числе с помощью искусственной кожи, передающей электрические сигналы с помощью сенсоров и транзисторов. Обычная кожа легко растягивается и сжимается, при этом полностью сохраняя чувствительность. В идеале искусственная кожа должна быть такой же, но обычно она состоит из комбинации жестких и мягких элементов. Группе ученых из Стэнфордского университета под руководством Бао Чжэнань (Bao Zhenan) удалось разработать полностью мягкую и эластичную искусственную кожу, которая передает электрические сигналы и работает на низком напряжении в 5 вольт, безопасном для человеческого тела (как правило, транзисторы в искусственной коже работают на электрическом напряжении в 30-100 вольт). Понизить напряжение удалось за счет повышения подвижности носителей заряда в 30 раз. Такие электрические свойства обеспечил сложный состав новой искусственной кожи. Она состоит из трех слоев материалов, один из которых — синтетический каучук. Его обычно используют для изготовления медицинских перчаток. Толщина всех трех слоев составила меньше микрона, поэтому к материалу для надежности прикрепили подложку. Вместе с ней искусственная кожа достигла толщины листа бумаги (25-30 микронов). Каждый слой кожи включает в себя миниатюрные сенсоры, которые распознают нажатия, температуру и растяжения. Транзисторы превращают сигналы от сенсоров в электрические импульсы с частотой до 42 герц и стабильной амплитудой. Также транзисторы меняют форму сигналов от сенсоров, чтобы сделать их более похожими на сигналы нейронов в головном мозге. Далее по искусственному синапсу электрические сигналы как раз отправляются в соматосенсорную кору мозга. Ученые проверили эффективность электрической искусственной кожи на крысах. Для этого они прикрепили кусок искусственной кожи к настоящей, а также создали два искусственных синапса: между искусственной кожей и соматосенсорной корой, и между моторной корой и седалищным нервом. Соматосенсорная кора воспринимает сигналы от органов чувств, а моторная кора подает команды мышцам. Ученые так стимулировали искусственную кожу, чтобы вызвать у крыс ответную реакцию в виде движения лап. Оказалось, что более сильные нажатия на искусственную кожу заставляли лапы крыс активнее подергиваться. В ответ на слабые нажатия крысы дергали лапами под углом 44 градуса, в ответ на самые сильные — 70 градусов. Это показало чувствительность искусственной кожи к стимулам разной интенсивности. Кусок искусственной кожи прикрепляли к настоящей на 30 часов, и за это время он не вызвал раздражения. В будущем ученые планируют интегрировать технологию в человеческие протезы, но сначала нужно сделать искусственную кожу беспроводной и разработать систему для взаимодействия мозга с разными частями тела с ее помощью. Тем временем нейрохирурги из Швейцарии, Великобритании, США и Франции сделали интерфейс для связи спинного и головного мозга. Пациент потерял способность ходить после неполной травмы спинного мозга, но с новым нейроинтерфейсом ему удалось на костылях ходить по дому, стоять и садиться в машину.
