Los ingenieros del MIT han sintetizado un material superabsorbente que puede absorber una cantidad récord de humedad del aire, incluso en condiciones desérticas.
A medida que el material absorbe el vapor de agua, puede hincharse para dejar espacio para más humedad. Incluso en condiciones muy secas, con una humedad relativa del 30 por ciento, el material puede extraer vapor del aire y retener la humedad sin fugas. Luego, el agua podría calentarse y condensarse, y luego recolectarse como agua ultrapura.
El material transparente y gomoso está hecho de hidrogel, un material naturalmente absorbente que también se usa en pañales desechables. El equipo mejoró la absorbencia del hidrogel al infundirle cloruro de litio, un tipo de sal que se sabe que es un poderoso desecante.
Los investigadores descubrieron que podían infundir el hidrogel con más sal de lo que era posible en estudios anteriores. Como resultado, observaron que el gel cargado de sal absorbía y retenía una cantidad de humedad sin precedentes, en una variedad de niveles de humedad, incluidas condiciones muy secas que han limitado otros diseños de materiales.
Si se puede fabricar rápidamente y a gran escala, el gel superabsorbente podría usarse como un recolector pasivo de agua, particularmente en las regiones desérticas y propensas a la sequía, donde el material podría absorber vapor continuamente, que luego podría condensarse en agua potable. . Los investigadores también prevén que el material podría colocarse en las unidades de aire acondicionado como un elemento deshumidificador que ahorra energía.
«Hemos sido independientes de las aplicaciones, en el sentido de que nos enfocamos principalmente en las propiedades fundamentales del material», dice Carlos Díaz-Marin, estudiante de posgrado en ingeniería mecánica y miembro del Device Research Lab del MIT. «Pero ahora estamos explorando problemas muy diferentes, como cómo hacer que el aire acondicionado sea más eficiente y cómo se puede recolectar agua. Este material, debido a su bajo costo y alto rendimiento, tiene mucho potencial».
Díaz-Marin y sus colegas han publicado sus resultados en un artículo que aparece hoy en Materiales avanzados. Los coautores del estudio del MIT son Gustav Graeber, Leon Gaugler, Yang Zhong, Bachir El Fil, Xinyue Liu y Evelyn Wang.
«Lo mejor de ambos mundos»
En el Laboratorio de Investigación de Dispositivos del MIT, los investigadores están diseñando materiales novedosos para resolver los desafíos mundiales de energía y agua. Al buscar materiales que puedan ayudar a recolectar agua del aire, el equipo se concentró en los hidrogeles, geles resbaladizos y elásticos que están hechos principalmente de agua y un poco de polímero reticulado. Los hidrogeles se han utilizado durante años como material absorbente en pañales porque pueden hincharse y absorber una gran cantidad de agua cuando entra en contacto con el material.
«Nuestra pregunta era, ¿cómo podemos hacer que esto funcione igual de bien para absorber el vapor del aire?» Dice Díaz-Marín.
Él y sus colegas buscaron en la literatura y descubrieron que otros habían experimentado mezclando hidrogeles con varias sales. Ciertas sales, como la sal de roca que se usa para derretir el hielo, son muy eficientes para absorber la humedad, incluido el vapor de agua. Y el mejor entre ellos es el cloruro de litio, una sal que es capaz de absorber más de 10 veces su propia masa en humedad. Si se deja solo en una pila, el cloruro de litio podría atraer el vapor del aire, aunque la humedad solo se acumularía alrededor de la sal, sin forma de retener el agua absorbida.
Entonces, los investigadores han intentado infundir la sal en hidrogel, produciendo un material que podría retener la humedad e hincharse para acomodar más agua.
«Es lo mejor de ambos mundos», dice Graeber, quien ahora es investigador principal en la Universidad Humboldt de Berlín. «El hidrogel puede almacenar una gran cantidad de agua y la sal puede capturar una gran cantidad de vapor. Por lo tanto, es intuitivo que desee combinar los dos».
hora de cargar
Pero el equipo del MIT descubrió que otros alcanzaron un límite en la cantidad de sal que podían cargar en sus geles. Las muestras con mejor rendimiento hasta la fecha fueron los hidrogeles que se infundieron con 4 a 6 gramos de sal por gramo de polímero. Estas muestras absorbieron alrededor de 1,5 gramos de vapor por gramo de material en condiciones secas de 30 por ciento de humedad relativa.
En la mayoría de los estudios, los investigadores habían sintetizado previamente muestras sumergiendo hidrogeles en agua salada y esperando que la sal se infundiera en los geles. La mayoría de los experimentos terminaron después de 24 a 48 horas, ya que los investigadores encontraron que el proceso era demasiado lento y que no terminaba mucha sal en los geles. Cuando probaron la capacidad del material resultante para absorber vapor de agua, las muestras absorbieron muy poco, ya que contenían poca sal para absorber la humedad en primer lugar.
¿Qué sucedería si se permitiera que la síntesis material continuara, digamos, durante días e incluso semanas? ¿Podría un hidrogel absorber aún más sal, si se le da suficiente tiempo? Para obtener una respuesta, el equipo del MIT llevó a cabo experimentos con poliacrilamida (un hidrogel común) y cloruro de litio (una sal superabsorbente). Después de sintetizar tubos de hidrogel a través de métodos de mezcla estándar, los investigadores cortaron los tubos en discos delgados y colocaron cada disco en una solución de cloruro de litio con una concentración de sal diferente. Sacaron los discos de la solución todos los días para pesarlos y determinar la cantidad de sal que se había infundido en los geles, luego los devolvieron a sus soluciones.
Al final, descubrieron que, de hecho, con más tiempo, los hidrogeles absorbían más sal. Después de sumergirse en una solución salina durante 30 días, los hidrogeles se incorporaron hasta 24, frente al récord anterior de 6 gramos de sal por gramo de polímero.
Luego, el equipo sometió varias muestras de los geles cargados de sal a pruebas de absorción en una variedad de condiciones de humedad. Descubrieron que las muestras podían hincharse y absorber más humedad en todos los niveles de humedad, sin fugas. En particular, el equipo informa que en condiciones muy secas de 30 por ciento de humedad relativa, los geles capturaron un «récord» de 1,79 gramos de agua por gramo de material.
«Cualquier desierto durante la noche tendría esa baja humedad relativa, por lo que posiblemente este material podría generar agua en el desierto», dice Díaz-Marin, quien ahora está buscando formas de acelerar las propiedades superabsorbentes del material.
«La gran sorpresa inesperada fue que, con un enfoque tan simple, pudimos obtener la mayor absorción de vapor reportada hasta la fecha», dice Graeber. «Ahora, el enfoque principal será la cinética y la rapidez con la que podemos hacer que el material absorba agua. Eso le permitirá reciclar este material muy rápidamente, de modo que en lugar de recuperar agua una vez al día, podría recolectar agua tal vez 24 veces al día. día.»
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias de Suiza.
