Desarrollan un nuevo material capaz de extraer agua del aire de forma pasiva
(blog.seas.upenn.edu)- Un equipo de investigación de la Universidad de Pensilvania descubrió un material de nuevo concepto capaz de extraer agua del aire de forma pasiva sin energía externa
- Este material tiene una estructura que combina de forma única nanoporos hidrofílicos y un polímero hidrofóbico, lo que le permite capturar la humedad del aire dentro de los poros y liberarla hacia la superficie
- Aprovecha eficazmente el fenómeno de condensación capilar, por lo que funciona incluso con baja humedad, y se distingue de materiales anteriores porque el agua no se queda dentro de los poros, sino que se transporta hasta la superficie
- Su método de fabricación es relativamente simple y puede aplicarse en un proceso comercialmente escalable, por lo que tiene alto potencial para usarse en dispositivos de captación en zonas áridas o en el enfriamiento de equipos electrónicos
- En adelante se prevé continuar con investigaciones para la optimización de la proporción entre hidrofobicidad e hidrofilicidad y la ampliación de escala para aplicaciones reales
Descubren un nuevo tipo de material nanoestructurado
Investigadores de ingeniería química de la Universidad de Pensilvania descubrieron, a partir de una observación accidental durante un experimento, un material nanoestructurado de nuevo concepto capaz de capturar vapor de agua del aire y liberarlo como gotas en la superficie sin energía externa
La investigación se llevó a cabo con la colaboración de especialistas de distintas áreas, y se espera que este material abra nuevas posibilidades de aplicación en campos como la captación de humedad en zonas secas o el enfriamiento de dispositivos electrónicos
Aclaración del principio a través del proceso de descubrimiento
- Al inicio de la investigación, se estimó que el fenómeno de gotas de agua formadas en la superficie se debía a factores externos, como variaciones de temperatura en el equipo experimental, pero se confirmó que al aumentar el grosor del material también aumentaba la cantidad de agua formada en la superficie
- A partir de ello, se determinó que, a diferencia de los materiales nanoporosos convencionales, el agua condensada dentro de la membrana se desplaza hasta la superficie y aparece en forma de gotas
Cómo funcionan los nanoporos
- La captación tradicional de agua requiere bajas temperaturas o alta humedad, o bien aportar energía externa para enfriar la superficie
- Sin embargo, este nuevo material permite que el vapor de agua se condense dentro de los nanoporos incluso con baja humedad gracias a la condensación capilar
- Además, la humedad condensada no queda atrapada en los poros, sino que se desplaza hasta la superficie y se libera en forma de gotas
- También se observó un fenómeno que supera la teoría existente: la velocidad de evaporación es extremadamente baja en relación con la curvatura y el tamaño de las gotas, por lo que estas pueden permanecer estables sobre la superficie durante mucho tiempo
Verificación de los principios básicos y características propias
- Al confirmar la correlación entre el grosor de la membrana y la cantidad de gotas en la superficie, se demostró que el fenómeno observado no era condensación superficial, sino que estaba relacionado con agua almacenada dentro de los poros
- Equipos externos de investigación colaboradores también reprodujeron el fenómeno y centraron su atención en el potencial de este material nanoestructurado especial
Combinación equilibrada de materiales y perspectivas de aplicación
- La proporción exacta de mezcla entre nanopartículas hidrofílicas y polietileno hidrofóbico cumple un papel muy importante
- Existe una conexión entre reservorios ocultos dentro de los poros y las gotas en la superficie, lo que forma una captura continua de humedad del aire (bucle de retroalimentación regenerativa)
- Este material también es fácil de producir en masa usando polímeros comunes y nanopartículas
- Hay posibilidades de aplicación industrial en diversos campos, como la captación de humedad en zonas áridas, superficies para enfriamiento de equipos electrónicos y edificios, y recubrimientos que responden a la humedad
Próxima dirección de la investigación y efectos esperados
- Aún quedan tareas de investigación adicionales, como aclarar en detalle el mecanismo de funcionamiento, la optimización de la proporción hidrofílica/hidrofóbica, la aplicación práctica a gran escala y el desprendimiento de las gotas recolectadas de la superficie
- El equipo de investigación está incorporando al diseño del material referencias a mecanismos de sistemas biológicos que gestionan el agua de forma eficiente
- A largo plazo, se espera que esto conduzca al desarrollo de suministro de agua limpia para zonas áridas o de tecnologías de enfriamiento ecológicas que funcionen únicamente con la evaporación del agua
Apoyo a la investigación
- Esta investigación se llevó a cabo con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF), el Departamento de Energía y la fundación Alfred P. Sloan, entre otras instituciones
1 comentarios
Opinión de Hacker News
Dicen que un nuevo material con nanoestructura puede atraer, recolectar y liberar agua del aire sin energía externa, así que se siente como una especie de bolsa deshumidificadora de alta tecnología. Bolsas con cloruro de calcio como Wisesorb Moisture Eliminator absorben humedad del aire no saturado y forman gotas de agua, pero después de usarlas hay que comprar otra o hervirlas para regenerarlas. En este nuevo material, las gotas se adhieren al material y hace falta energía para retirarlas. No es como por arte de magia que el agua simplemente caiga al fondo del recipiente. Se pueden limpiar las gotas con una toalla de papel, pero luego hace falta energía otra vez para sacar el agua de la toalla. Y la expresión "desafía las leyes de la física" no es correcta; creo que los equipos de prensa universitarios y los periodistas de tecnología deberían aprender a verificar dos o tres veces con los autores y con expertos independientes si de verdad creen que se violó una ley de la física. Tanto la frase engañosa como el titular vienen del material promocional de la universidad
Es una investigación en curso, y este material muestra un potencial algo distinto al de las bolsas deshumidificadoras desechables tipo Thirsty Hippos. Lo correcto es que (1) no viola las leyes de la física y (2) todavía se necesita energía para retirar las gotas. Pero si las gotas se desplazan hacia la superficie, la energía necesaria para liberarlas podría ser mucho menor que en métodos activos de deshumidificación ya existentes, como un módulo Peltier. Por cierto, Thirsty Hippo es básicamente un supergel de sílice bastante efectivo en espacios pequeños
Gracias por la explicación. Al principio, al leer solo el titular del artículo, pensé que alguien había descubierto una máquina de movimiento perpetuo
En publicaciones en las que participé, cuando llegaban materiales de PR de universidades, nos comunicábamos directamente con ellos
Es absolutamente imposible violar las leyes de la física. Si parece que una ley está mal, entonces somos nosotros quienes la estamos entendiendo mal. Del mismo modo, es imposible “desafiarlas”; el universo solo puede hacer lo que permite
Del artículo original: "Todas las mediciones se mantuvieron a 20°±0.2°C con un sistema de circulación de aire, y la temperatura de la película se controló con una unidad de calentamiento/enfriamiento cuando fue necesario." Es decir, el calor latente se transfiere al sistema de enfriamiento, y no decirlo explícitamente da la impresión de que quieren hacerlo ver más dramático
Otra parte llamativa del artículo: "Se generan gotas macroscópicas de agua de forma isotérmica cuando el tamaño de NP es de 22 nm o menos, la humedad relativa supera aproximadamente el 90%, y ϕPE es de 0.05 a 0.35" "Las gotas iniciales visibles en microscopía óptica (de tamaño aproximado de 1μm) aparecen a los pocos segundos de la exposición al 97% de humedad relativa". Realmente es un ambiente con una humedad casi al punto de rocío. La gente se está enfocando demasiado en si "viola la física", cuando en realidad se trata de una mejora gradual sobre un fenómeno natural
No hay problema con mantener la temperatura constante con un termostato. Si la superficie se mantuviera más fría que el aire (por debajo del punto de rocío), eso lo explicaría, pero por lo que dice el artículo no parece ser el caso. Básicamente están afirmando que en vapor no saturado se forman espontáneamente gotas macroscópicas, y eso es algo que la segunda ley de la termodinámica no permite
Ahora que escuché la explicación, lo entiendo. En vez de decir que parece violar la física, mejor deberían enfocarse en qué es lo que realmente mejora. Yo diría que este material puede funcionar a temperaturas más altas y, si la temperatura ambiente es baja, el calor latente podría disiparse de manera pasiva. Incluso con una bomba de calor activa, podría ser un proceso más eficiente a alta temperatura. En un sistema cerrado, eventualmente se llegaría al equilibrio, pero ni siquiera hace falta que el sistema esté completamente cerrado
Esta investigación destaca porque, a diferencia de las tecnologías de adsorción existentes, podría seguir extrayendo agua del aire sin cambiar de mecanismo. Tal vez, si este material pudiera recubrir aluminio para transferir el calor latente, se podría imaginar un sistema que simplemente siga produciendo agua sin energía adicional. Bastaría con poner un cubo de “aletas” de este material en la sombra y un balde recolector debajo. Sería interesante ver un dispositivo real de este tipo y medir cuántos litros al día puede sacar y bajo qué condiciones. Especialmente en situaciones de riesgo relacionadas con la temperatura de bulbo húmedo, un dispositivo pasivo que quite humedad del aire sin energía incluso podría servir para salvar vidas
Que el calor latente realmente se transfiera al sistema de enfriamiento quizá sí se omitió para hacerlo más dramático, pero sería inusual que en el proceso el material se calentara por encima del aire circundante. Normalmente, para extraer humedad hace falta bajar más la temperatura. Aunque quizá no sea lo mejor para medir la máxima extracción de agua, enfriar hasta la temperatura ambiente es una tarea mucho más sencilla
A menos que haya alguna advertencia realmente importante escondida en el artículo, lo que afirman parece no ser compatible con la segunda ley de la termodinámica. Dicen que se forman gotas de agua en la superficie de un nanomaterial en estado <i>isotérmico</i> y con <i>humedad relativa por debajo del 100%</i>. Eso es termodinámicamente imposible. En esas condiciones, la condensación solo puede ocurrir dentro de superficies cóncavas (poros), no formando gotas convexas sobre una superficie plana. La explicación del artículo de que "los componentes hidrofílicos pueden exprimir el agua" es absurda. Para que el agua se acumule en poros cóncavos y luego pase a una gota convexa, la presión del agua tendría que ser positiva y negativa al mismo tiempo, lo cual es imposible. A mi parecer, una de estas tres cosas está pasando: 1) superficie contaminada 2) humedad relativa mal medida 3) no mencionaron una placa de enfriamiento más fría que el entorno. Enlace al artículo
Reposteado hace 4 días: enlace a comentarios de HN, y lo están promocionando de forma muy exagerada, como si realmente violara la termodinámica. Claramente no es así, y los deshumidificadores ya extraen suficiente agua con la eficiencia habitual, así que tendría que haber alguna otra ventaja. Pero no se ve con claridad cuál sería
No estoy de acuerdo con la idea de que "los deshumidificadores ya extraen suficiente agua del aire pagando el costo energético". En la práctica, los deshumidificadores por condensación cuestan en electricidad tanto como un aire acondicionado, además expulsan calor no deseado y hacen bastante ruido. Los deshumidificadores desecantes son todavía menos eficientes. Si hubiera una forma de quitar humedad usando menos energía y con menos ruido, sería un cambio enorme
En realidad no parece que vaya a violar la termodinámica. Eso no significa que, en teoría, para condensar el vapor de agua presente en la atmósfera hiciera falta hacerlo. Según el artículo, "[cuando los PINF nanoporosos hidrofilo-hidrofóbicos se exponen a un ambiente con humedad menor al 100%, se observa la formación espontánea de gotas macroscópicas de agua en la superficie sin enfriamiento]" enlace al artículo
La idea aquí es que se puede extraer agua sin enfriar el aire. Primero el material capta la humedad y se calienta un poco, y luego ese calor se irradia pasivamente hacia afuera. Si todo fuera un sistema cerrado, al final llegaría al equilibrio, pero justo la diferencia es que no necesita ser un sistema cerrado
A la pregunta de "¿no debería haber algo más atractivo?", la respuesta sería: Windtraps, o sea, algo como las trampas de viento de Dune
Hay comentarios repetidos sobre cosas parecidas, así que planeo fusionarlos como referencia
Si esta tecnología realmente se vuelve práctica, creo que tendría muchísimas aplicaciones. Se podría colocar una junto a cada árbol o a cada hilera de cultivo. En interiores, usándola junto con el A/C, podría facilitar la eficiencia de enfriamiento y el control de humedad. También se podría recolectar agua en montañas o edificios altos y usarla para generación hidroeléctrica a pequeña escala. Incluso podría servir para rellenar piscinas
Me pregunto si con esto se podría crear un buen método de desalinización. La idea sería evaporar agua de mar al aire dentro de un sistema cerrado hasta saturarlo de humedad, y luego usar este material para recolectar el agua
Lamento que hayan usado la expresión "viola las leyes de la física". Este estudio es un descubrimiento importante para los sistemas de condensación de agua, pero exagerar diciendo que no requiere energía externa es irresponsable. Creo que hicieron algo parecido a un trinquete browniano. Siempre se dice que no hace falta energía externa, pero cuando uno lo mira de cerca, al final siempre hay una diferencia de temperatura, y mantener esa diferencia requiere energía externa. Lo más probable es que el material esté más frío que el aire, o que la humedad entrante esté más caliente que el entorno. También podría haber un gradiente de temperatura dentro del material, o que la iluminación del laboratorio caliente solo uno de sus lados. En realidad, muchos dispositivos pasivos dependen de la diferencia de temperatura entre día y noche, y al final esa energía viene del sol. En el artículo dicen que intentaron eliminar los gradientes térmicos aumentando el grosor del material, pero no me convence la razón. Si nadie le metió energía de forma deliberada, este material sería bastante eficiente (si de verdad no usaron una muestra refrigerada), y aun así es una pena que tengamos que presentarlo como una máquina de movimiento perpetuo para captar la atención del público
Yo también entiendo que a veces una universidad necesita generar impacto, pero creo que términos como "Passively Harvest" y "Defies Physics" deben usarse con muchísimo cuidado en contexto científico. No espero el nivel de rigor de una revisión por pares en una entrada de blog, pero al final este uso del lenguaje le hace daño a la ciencia. Creer que un material mágico puede romper la segunda ley de la termodinámica se parece más a la alquimia que a la química
El PET es un aislante bastante decente, y parece que los experimentadores estaban tratando de comprobar si la causa de la condensación era o no una diferencia de temperatura. Si realmente controlaron tanto la temperatura como la humedad, eso podría significar que el propio material se estaba calentando más, y aun en ese caso sería un problema resoluble con enfriamiento pasivo mediante un radiador. El fenómeno que describe este artículo, si realmente puede lograrse, sí podría ser una innovación bastante grande, y suena lo bastante convincente
Si se elimina agua de la atmósfera a gran escala, podría ser desastroso para los patrones climáticos de la Tierra. Si un país absorbe demasiada agua, podría dejar de llover en otro
La tecnología en sí es bastante interesante. En términos generales, parece haber trasladado el delta termodinámico del ciclo condensación-evaporación desde el clima a las propiedades del material. Si se pudiera variar libremente el tamaño de los poros, se podría controlar en cualquier momento el balance de entrada y salida de agua hacia un tanque de almacenamiento. Por ejemplo, podría aplicarse a ropa inteligente: cuando hace calor, abrir los poros para liberar más agua, y cuando hace frío, reducirlos para evitar evaporación. Ojalá el artículo no hubiera usado la expresión “viola la física”
Algo que la gente definitivamente debería saber es que las leyes de la física dicen que la energía mínima necesaria para separar agua del aire es mucho mayor que la energía mínima para separarla de una salmuera. Por eso la desalinización siempre es más eficiente que cosechar agua del aire