"Мы даже не пытались набрать воды", - говорит Ли. "Мы работали над другим проектом, тестируя комбинацию гидрофильных нанопор и гидрофобных полимеров, когда Бхарат Венкатеш, бывший аспирант нашей лаборатории, заметил капли воды, появляющиеся на материале, который мы тестировали. В этом не было никакого смысла. Вот тогда-то мы и начали задавать вопросы".

Эти вопросы привели к углубленному изучению нового типа амфифильного нанопористого материала: материала, который сочетает в себе влаголюбивые (гидрофильные) и водоотталкивающие (гидрофобные) компоненты в уникальной наноразмерной структуре. В результате получается материал, который одновременно улавливает влагу из воздуха и одновременно выталкивает ее в виде капель.

Нанопоры, собирающие воду

Когда вода конденсируется на поверхностях, обычно требуется либо понижение температуры, либо очень высокий уровень влажности. Традиционные методы сбора воды основаны на этих принципах и часто требуют затрат энергии на охлаждение поверхностей или образования плотного тумана для пассивного сбора воды из влажной среды. Но система Ли и Пателя работает по-другому.

Вместо охлаждения их материал использует капиллярную конденсацию - процесс, при котором водяной пар конденсируется внутри крошечных пор даже при более низкой влажности. Это не ново. Новым является то, что в их системе вода не просто задерживается внутри пор, как это обычно происходит в материалах такого типа.

"В типичных нанопористых материалах, как только вода попадает в поры, она остается там", - объясняет Патель. "Но в нашем материале вода движется, сначала конденсируясь внутри пор, а затем выходя на поверхность в виде капель. Такого никогда раньше не наблюдалось в подобной системе, и сначала мы усомнились в наших наблюдениях".

Материал, который бросает вызов физике

Прежде чем они поняли, что происходит, исследователи сначала подумали, что вода просто конденсируется на поверхности материала из-за артефакта их экспериментальной установки, такого как температурный градиент в лаборатории. Чтобы исключить это, они увеличили толщину материала, чтобы посмотреть, изменится ли количество воды, собранной на поверхности.

"Если бы то, что мы наблюдали, было вызвано только поверхностной конденсацией, толщина материала не изменила бы количество присутствующей воды", - объясняет Ли.

Но общее количество собранной воды увеличивалось по мере увеличения толщины пленки, что доказывает, что капли воды, образующиеся на поверхности, поступают изнутри материала.

Еще более удивительно: капли не испарялись быстро, как предсказывала бы термодинамика.

"Судя по кривизне и размеру капель, они должны были испаряться", - говорит Патель. "Но это было не так; они оставались стабильными в течение длительного периода времени".

Имея на руках материал, который потенциально мог бы противоречить законам физики, Ли и Патель отправили свой дизайн соавтору, чтобы посмотреть, можно ли воспроизвести их результаты.

"Мы изучаем пористые пленки в широком диапазоне условий, используя тонкие изменения поляризации света для исследования сложных наноразмерных явлений", - говорит Гулдин. - Но мы никогда не видели ничего подобного. Это абсолютно увлекательно и, несомненно, послужит толчком к новым захватывающим исследованиям".

Стабилизированный цикл конденсации и высвобождения

Оказывается, они создали материал с правильным балансом притягивающих воду наночастиц и водоотталкивающего пластика - полиэтилена - для создания пленки из наночастиц с этим особым свойством.

"Мы случайно попали в точку", - говорит Ли. "Капли соединены со скрытыми резервуарами в порах внизу. Эти резервуары постоянно пополняются за счет водяного пара в воздухе, создавая петлю обратной связи, которая стала возможной благодаря идеальному балансу влаголюбивых и водоотталкивающих материалов."

Платформа для пассивного сбора воды и многого другого

Помимо бросающего вызов физике поведения, простота материалов является частью того, что делает их такими многообещающими. Изготовленные из обычных полимеров и наночастиц с использованием масштабируемых методов изготовления, эти пленки могут быть интегрированы в устройства пассивного сбора воды для засушливых регионов, поверхности для охлаждения электроники или интеллектуальные покрытия, реагирующие на влажность окружающей среды.

"Мы все еще раскрываем действующие механизмы", - говорит Патель. "Но потенциал у него захватывающий. Мы изучаем биологию - как клетки и белки управляют водой в сложных средах - и применяем это для создания более совершенных материалов".

"Это именно то, что Пенн делает лучше всего, объединяя знания в области химической инженерии, материаловедения, химии и биологии для решения больших проблем", - добавляет Ли.

Следующие шаги включают изучение того, как оптимизировать баланс гидрофильных и гидрофобизирующих компонентов, масштабирование материала для реального использования и исследование того, как заставить собранные капли эффективно скатываться с поверхностей.

В конечном счете, исследователи надеются, что это открытие приведет к технологиям, которые обеспечивают чистую воду в сухом климате, или более устойчивым методам охлаждения, использующим только водяной пар, уже находящийся в воздухе.

Эта работа была поддержана грантами Национального научного фонда NSF-2309043 и NSF-1933704, грантом Министерства энергетики (DE-SC0021241), стипендией Semilab UCL для получения степени доктора философии в области химической инженерии, грантом программы стипендий для аспирантов Национального научного фонда (DGE-2236662), грантом Исследовательского фонда Альфреда П. Слоуна. (FG-2017-9406) и грант Фонда Камиллы и Генри Дрейфусов (TG-19-033).