Mover el agua de manera eficiente hacia arriba contra la gravedad es una gran hazaña de la ingeniería humana, sin embargo, uno que los árboles han dominado durante cientos de millones de años. En un nuevo estudio, Los investigadores han diseñado un sistema de transporte de agua inspirado en los árboles que utiliza fuerzas capilares para impulsar el agua sucia hacia arriba a través de un aerogel estructurado jerárquicamente. donde luego se puede convertir en vapor por energía solar para producir fresco, agua limpia.

Los investigadores, dirigido por Aiping Liu en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Zhejiang y Hao Bai en la Universidad de Zhejiang, han publicado un artículo sobre el nuevo método de transporte de agua y generación de vapor solar en un número reciente de ACS Nano . En el futuro, Los métodos eficientes de transporte de agua tienen aplicaciones potenciales en la purificación y desalinización de agua.

"Nuestro método de preparación es universal y se puede industrializar, "Liu dijo Phys.org . "Nuestros materiales tienen excelentes propiedades y buena estabilidad, y se puede reutilizar muchas veces. Esto brinda la posibilidad de desalinización y tratamiento de aguas residuales a gran escala en el futuro ".

El nuevo sistema consta de dos componentes principales:un largo, poroso, aerogel ultraligero para transportar agua, y una capa de nanotubos de carbono en la parte superior del aerogel para absorber la luz solar y convertir el agua en vapor. El sistema está encerrado en un recipiente de vidrio. El agua viaja hacia arriba a través de los poros del aerogel debido a las fuerzas capilares, que son causados ​​por la adhesión entre las moléculas de agua y la superficie interna de los poros. Una vez que el agua llega a la cima, la capa de nanotubos de carbono calentada con energía solar calienta el agua en vapor, dejando atrás cualquier contaminante. El vapor se condensa en los lados del recipiente de vidrio circundante, formando gotas de agua que fluyen hacia el fondo del recipiente hacia un depósito para su recolección.

Este diseño es muy similar al que usan las plantas. Las plantas contienen muchos vasos de xilema diminutos que extraen agua del suelo a través de sus ramas y hojas, a veces a cientos de pies en el aire. Una vez que el agua llega a las hojas, La radiación solar hace que el agua se evapore a través de pequeños poros en las hojas. similar al generador de vapor solar de carbono.

Recrear un sistema de transporte de agua en forma de árbol eficiente ha sido un desafío, con la mayoría de los intentos anteriores exhibiendo velocidades de transporte relativamente lentas, distancias de transporte cortas, y una disminución en el rendimiento al transportar aguas residuales y agua de mar en comparación con el agua limpia. Con el nuevo diseño de aerogel, los investigadores demostraron mejoras en todas estas áreas, logrando un rendimiento de flujo ascendente de 10 cm en los primeros 5 minutos y de 28 cm después de 3 horas. El sistema también funciona igualmente bien con agua limpia, Agua de mar, aguas residuales, y agua subterránea arenosa. Además, el colector de calor de carbón alcanza una alta eficiencia de conversión de energía de hasta el 85%.

La clave de las mejoras fue el cuidadoso diseño de la arquitectura del aerogel. Para fabricar el material, los investigadores vertieron los ingredientes del aerogel en un tubo de cobre, que luego sometieron a un gradiente de temperatura donde el extremo frío del tubo estaba frío a –90 grados Celsius. Esto provocó que los cristales de hielo crecieran siguiendo un patrón dentro del aerogel a lo largo del gradiente de temperatura. Después de liofilizar el tubo, el aerogel resultante mostró una estructura jerárquica con canales alineados radialmente, poros de tamaño micro, superficies internas arrugadas, y mallas moleculares. Todas estas pequeñas estructuras contribuyeron al buen rendimiento del aerogel.

En el futuro, los investigadores planean mejorar aún más el rendimiento del sistema para prepararse para las aplicaciones.

"Esperamos optimizar aún más el esquema experimental y llevar a cabo una producción a gran escala, ", Dijo Liu." También esperamos mejorar aún más la longitud del transporte de agua, la velocidad de transporte del agua, y la eficiencia de la recolección de agua, con el fin de realizar mejor las aplicaciones prácticas ".

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