Desarrollan un nuevo material capaz de extraer agua del aire de forma pasiva

 (blog.seas.upenn.edu)
1 puntos por GN⁺ 2025-05-27 | 1 comentarios | Compartir por WhatsApp
  • Investigadores de Penn Engineering descubrieron una familia de materiales nanoestructurados que, sin energía externa, reúnen la humedad del aire en sus poros y luego la liberan como gotas de agua en la superficie
  • La clave es una estructura nanoporosa anfifílica que combina nanoporos hidrofílicos con un polímero hidrofóbico, permitiendo que ocurra condensación capilar dentro de los poros incluso con baja humedad
  • A diferencia de los materiales nanoporosos comunes, el agua no permanece en los poros sino que se desplaza hacia la superficie, y cuanto más gruesa es la membrana, mayor es la cantidad de agua recolectada
  • Contrario a la predicción de que las gotas superficiales se evaporarían rápidamente, se mantuvieron durante mucho tiempo; esto se interpreta como una estructura en la que un reservorio oculto bajo los poros se repone continuamente con vapor de agua del aire
  • Podría derivar en recolección pasiva de agua en zonas áridas, superficies de enfriamiento para dispositivos electrónicos y edificios, y recubrimientos inteligentes sensibles a la humedad, aunque aún falta optimizar el equilibrio de componentes y escalar a grandes áreas

Un descubrimiento que empezó con una gota de agua accidental

  • En un laboratorio de ingeniería química de Penn Engineering, mientras probaban una combinación de nanoporos hidrofílicos y un polímero hidrofóbico, apareció una gota de agua en la superficie del material experimental
  • El objetivo original no era recolectar agua, pero al repetirse el fenómeno inesperado, el equipo de investigación comenzó a analizar sus causas
  • El estudio publicado en Science Advances trata sobre materiales nanoporosos anfifílicos que capturan humedad del aire y la liberan hacia la superficie
  • En el equipo participaron Daeyeon Lee y Amish Patel, de Penn Engineering; Baekmin Kim, investigador posdoctoral del laboratorio de Lee; y Stefan Guldin, de la Technical University of Munich, entre otros

Cómo recolecta agua sin enfriamiento

  • La condensación superficial convencional requiere bajar la temperatura o una humedad muy alta
  • Los métodos existentes de captación de agua también suelen depender de un aporte de energía para enfriar superficies, o de condiciones en las que se forma niebla densa en ambientes húmedos
  • Este material aprovecha la condensación capilar en lugar del enfriamiento
    • Es el proceso por el cual el vapor de agua se condensa dentro de poros muy pequeños incluso con baja humedad
    • La condensación capilar en sí no es un fenómeno nuevo
  • La diferencia es que el agua condensada no queda atrapada dentro de los poros, sino que se desplaza hacia la superficie y aparece como gotas de agua

El experimento con el grosor de la membrana confirmó su origen interno

  • Al principio, los investigadores evaluaron la posibilidad de que el agua simplemente se hubiera condensado en la superficie por factores del equipo, como gradientes de temperatura en el laboratorio
  • Para identificar la causa, aumentaron el grosor de la membrana del material y verificaron si cambiaba la cantidad de agua acumulada en la superficie
  • Si la única causa hubiera sido la condensación superficial, el grosor de la membrana no debería afectar la cantidad de agua
  • En la práctica, cuanto más gruesa era la membrana, mayor era la cantidad total de agua recolectada, lo que sirvió como evidencia de que las gotas superficiales provenían del interior del material

Gotas que duran mucho y un ciclo de reposición

  • Por su tamaño y curvatura, las gotas deberían evaporarse rápidamente, pero en los experimentos se mantuvieron estables durante mucho tiempo
  • Equipos colaboradores externos también observaron las membranas porosas en diversas condiciones, ayudando a confirmar la reproducibilidad de los resultados
  • El material muestra propiedades especiales gracias al equilibrio entre nanopartículas que atraen el agua y un plástico que la repele: polietileno (polyethylene)
  • Las gotas superficiales están conectadas con un reservorio oculto en los poros inferiores
    • El reservorio se repone continuamente con vapor de agua del aire
    • El equilibrio entre los componentes hidrofílicos e hidrofóbicos permite un bucle de retroalimentación de condensación y liberación

Desafíos para expandirlo a recolección pasiva de agua y enfriamiento

  • El material se fabrica con polímeros y nanopartículas comunes, y tiene la ventaja de poder usar métodos de fabricación escalables
  • Sus posibles aplicaciones incluyen:
    • dispositivos de recolección pasiva de agua para zonas áridas
    • superficies para enfriar dispositivos electrónicos o edificios
    • recubrimientos inteligentes que reaccionan a la humedad ambiental
  • Los investigadores también buscan aprovechar la forma en que las células y las proteínas gestionan el agua en entornos complejos para diseñar mejores materiales
  • Los próximos pasos son optimizar el equilibrio entre los componentes hidrofílicos e hidrofóbicos, realizar el escalado para uso real e investigar métodos para que las gotas recolectadas rueden eficientemente fuera de la superficie
  • A largo plazo, podría convertirse en una tecnología que use solo vapor de agua del aire para proporcionar agua limpia en climas secos o para crear métodos de enfriamiento más sostenibles

Lecturas relacionadas

1 comentarios

 
GN⁺ 2025-05-27
Opiniones de Hacker News

  • La explicación de que “extrae agua del aire, la reúne en poros y la libera hacia la superficie sin energía externa” suena parecida a una bolsa deshumidificadora avanzada.
    Productos como https://www.amazon.com/Wisesorb-Moisture-Eliminator-Fragranc... absorben agua del aire no saturado usando cloruro de calcio y forman pequeñas gotas, pero cuando se consumen hay que comprar otros o hervirlos para recuperar los cristales.
    También en el nuevo material, las gotas de agua quedan adheridas al material, así que se necesita energía para retirarlas. Como no caen mágicamente en una cubeta debajo del dispositivo, no se puede “cosechar” agua sin energía. Se podrían limpiar con una toalla de papel, pero para extraer el agua de esa toalla haría falta energía otra vez.
    La expresión “un material que quizá podría desafiar las leyes de la física” también es incorrecta. Los equipos de prensa universitarios y los periodistas de tecnología deberían recibir una breve capacitación para volver a consultar con los autores y confirmar también con expertos independientes antes de creer que se rompieron las leyes de la física.
    La frase problemática y el título engañoso vienen del texto de la universidad: https://blog.seas.upenn.edu/penn-engineers-discover-a-new-cl...

    • Aunque todavía es una investigación en curso, promete algo un poco distinto a las bolsas deshumidificadoras desechables. En otras regiones también hay productos como Thirsty Hippos.
      Es cierto que no rompe las leyes de la física y que separar las gotas de agua todavía cuesta energía. Sin embargo, si las gotas se desplazan hacia la superficie, parece que la energía necesaria para liberarlas podría ser mucho menor que en métodos activos de deshumidificación, como una unión Peltier.
      https://www.amazon.sg/Thirsty-Hippo-Dehumidifier-Moisture-Ab...
      Básicamente, es más parecido a un gel de sílice mejorado.
    • Más que las señales de alerta de la prensa universitaria, llaman más la atención las señales de alerta del artículo.
      Si se ven la figura 4 y la figura de simulación 3E, las condiciones en las que algo empieza a ocurrir parecen ser de 97% de humedad relativa y después de unos minutos. Y aun así, es a escala micrométrica.
      https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
      Es algo que casi se podría intentar en casa. Bastaría con disolver guantes de poli en polvo de sílice “liofilizado”.
    • Para este tipo de recolección de agua, desde el punto de vista de la conservación de la energía, me pregunto si existe una energía mínima fija necesaria para juntar 1 L de agua del aire.
      Si la energía requerida es baja, podría considerarse una tecnología interesante.
    • Si no hay un método pasivo o de baja energía para recolectar realmente el agua, la palabra “cosecha” suena casi exagerada.
      Podría ayudar si se combina con una superficie absorbente o con un sistema de transferencia basado en capilaridad, pero parece que todavía es una pregunta abierta.

  • En el artículo real (https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349) dice: “A menos que se indique lo contrario, todas las mediciones se realizaron a 20° ± 0.2°C, mantenidos mediante un sistema de circulación de aire. Cuando fue necesario, la temperatura de la película se controló con un dispositivo de calentamiento/enfriamiento (THMS350V, Linkam Scientific Instruments, Salfords, UK)”.
    Es decir, el calor latente se elimina mediante el dispositivo de enfriamiento, pero parece que no lo dijeron explícitamente para que se viera más espectacular.

    • Hay otra parte que mucha gente pasa por alto en el artículo. Dice: “Específicamente, cuando el tamaño de las NP es ≤22 nm, la RH es aproximadamente superior a 90% y ϕPE está entre 0.05 y 0.35, se forman gotas macroscópicas de agua de manera isotérmica”, y “a los pocos segundos de la exposición a 97% RH aparecen gotas iniciales observables con microscopio óptico (aprox. 1 μm)”.
      Esto es aire muy húmedo, justo antes de que se forme rocío. Mucha gente se concentra en la expresión sensacionalista de “violar las leyes de la física”, pero se parece más a una mejora gradual de un proceso que ocurre naturalmente.
    • Mantener la temperatura constante con un termostato en sí no es un problema. Si hubieran mantenido la superficie más fría que el aire circundante, es decir, por debajo del punto de rocío, eso lo explicaría, pero por la descripción del artículo no parece ser el caso.
      La afirmación central es que se forman espontáneamente gotas macroscópicas en vapor no saturado, y eso no es un fenómeno permitido por la segunda ley de la termodinámica.
    • Creo que habría sido más fácil de entender si no lo hubieran presentado como si rompiera la física, sino que hubieran explicado el punto realmente útil.
      Según lo que entiendo ahora, en un entorno donde la temperatura ambiente sea lo suficientemente baja, podría funcionar incluso a temperaturas más altas, por lo que el calor latente podría disiparse mediante radiación pasiva. Incluso si se usa una bomba de calor activa, una temperatura más alta puede mejorar la eficiencia. En un sistema cerrado al final se llegaría al equilibrio, pero no hace falta mantener un sistema cerrado.
    • Aun así, esta investigación destaca. A diferencia de los métodos por adsorción, el mecanismo parece no cambiar mientras sigue extrayendo agua del aire.
      Probablemente se podría poner una capa de este material sobre aluminio para conducir el calor latente y construir un dispositivo que produzca agua continuamente sin energía adicional. Imaginen un “cubo” a la sombra, con un conjunto de aletas hechas de este material y un recipiente colector debajo. Lo interesante será cuántos litros por día podrá extraer del aire ambiente, y bajo qué condiciones, cuando se fabrique realmente.
      Un dispositivo así podría ser esencial en climas con temperatura de bulbo húmedo peligrosa para las personas. Si es un dispositivo pasivo que absorbe agua del aire sin energía, podría salvar vidas.
    • Al ver el artículo, parece que colocaron nanopartículas de dióxido de silicio sobre un sustrato, agregaron encima una capa de plástico (poly-ethylene) y luego hicieron un recocido para fundirla.
      Los espacios entre las nanopartículas se llenan parcialmente con plástico, y la proporción entre plástico y partículas es la fracción volumétrica de poly-ethylene (ϕPE). Probaron varias proporciones y dicen que en cierto rango aparece el comportamiento de mojado.
      Experimentalmente, se indica que incluso con 70% de humedad relativa se forman pequeñas gotas dentro del material. Si es cierto, espero que haya una forma de extraer gotas con muy poca energía. Por ejemplo, crear puntos de recolección abiertos en la película, hacer que las gotas salten y se unan mediante ultrasonido, o formar la película sobre un material que pueda saturarse de agua para que las nuevas gotas se integren fácilmente al flujo.
      https://en.wikipedia.org/wiki/Volume_fraction

  • A menos que hayan escondido alguna pista importante en alguna parte del artículo, esta afirmación no parece compatible con la segunda ley de la termodinámica.
    Afirman que, a temperatura constante y con humedad relativa inferior al 100%, se condensan gotas de agua sobre un nanomaterial. Según la termodinámica que conocemos, eso está absolutamente prohibido. En esas condiciones puede haber condensación en superficies cóncavas dentro de poros, pero no pueden formarse gotas convexas sobre una superficie plana.
    La explicación de que un componente hidrofóbico “exprime” el agua hacia la superficie también es absurda. La condensación se detendría antes de desbordarse. Para que el agua condensada en poros cóncavos sea empujada hacia afuera como gotas convexas, la presión hidrostática tendría que ser positiva y negativa al mismo tiempo.
    Las explicaciones posibles serían más o menos: 1) superficie contaminada, 2) error de calibración de la humedad relativa, 3) omitieron una placa de enfriamiento que mantiene el material a una temperatura menor que la del entorno.
    https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349

    • No entiendo bien qué es lo que estaría prohibido. No se necesita 100% de humedad relativa para retener agua del aire. La madera también tiene un contenido de humedad relacionado con la humedad del aire en estado de equilibrio.
      La humedad se difunde dentro de todos los materiales y se evapora según dónde haya menor presión de vapor. Por eso con 40% de humedad relativa se resecan los labios y con 70% se sienten húmedos.
      Lo que están mencionando es la condensación, que ocurre cuando el aire se sobresatura por una caída de temperatura, pero aquí no parece tratarse de eso.
      En teoría, podría existir un material que absorba la alta humedad del aire, favorezca la formación de gotas mediante propiedades microscópicas y luego separe esas gotas del aire con un material pasivo, como una capa inteligente antihumedad, para cosechar agua.
    • En materiales así también existe el problema práctico en sentido contrario. La recolección de agua en condiciones limpias de laboratorio puede venirse abajo rápidamente en entornos reales.
      Lo húmedo atrae polvo y microorganismos. Si hay polvo y agua, aumentan aún más los microorganismos. Pronto crecerán líquenes.
    • No sería la primera vez que en un experimento se pasa por alto un pequeño gradiente de temperatura o un problema de calibración.
    • Al leer el artículo, no son gotas sobre una superficie plana. Es agua dentro de poros y gotas retenidas por tensión superficial.

  • Reposteado hace cuatro días: https://news.ycombinator.com/item?id=44060712
    Además, realmente lograron hacerlo sonar como si violara la termodinámica. En realidad no es así, y los deshumidificadores ya extraen bien agua del aire en relación con el costo energético que hay que pagar. Entonces debería haber otro argumento de venta, pero no se ve claramente

    • Me cuesta estar de acuerdo con que “los deshumidificadores extraen bien agua del aire en relación con el costo energético que se paga”
      Los deshumidificadores por condensación cuestan tanto de operar como un aire acondicionado, generan calor no deseado y hacen ruido. Los deshumidificadores desecantes son aún menos eficientes energéticamente
      Si existe una forma de extraer humedad del aire con menos energía y ruido, sería enorme
    • Es muy poco probable que viole nuestra comprensión de la termodinámica, pero no está claro que eso sea necesario para condensar el vapor de agua ambiental de la atmósfera
      El artículo dice: “Sorprendentemente, cuando esta PINF nanoporósa anfifílica se expone a condiciones de alta insaturación, es decir, humedad relativa (RH) < 100%, aparecen espontáneamente gotas de agua macroscópicas en la superficie de la película sin enfriamiento”
      https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
    • La clave es que no hace falta enfriar el aire para obtener agua
      Primero se obtiene el agua y, como resultado, el material se calienta un poco; luego puede enfriarse pasivamente de nuevo hasta la temperatura ambiente
    • Como otro argumento de venta, están los Windtraps
      https://dune.fandom.com/wiki/Windtrap

  • Ojalá el comunicado de prensa no hubiera usado la expresión “desafía la física”. Puede ser un descubrimiento importante para condensadores de agua, pero afirmar que no necesita una fuente de energía externa es gravemente descuidado
    Casi con seguridad parece que crearon algún tipo de trinquete browniano: https://en.wikipedia.org/wiki/Brownian_ratchet
    A la gente le encanta afirmar que no hay una fuente de energía externa, pero si se mira de cerca hay una diferencia entre caliente y frío, y mantener esa diferencia requiere energía externa. Apostaría mucho dinero a que el material está más frío que el entorno, o que la humedad entrante está más caliente que el entorno. También podría ser una diferencia dentro del material, o que la iluminación del laboratorio esté calentando un lado
    También hay muchos dispositivos pasivos que dependen de los ciclos de temperatura entre día y noche, pero eso también es energía proveniente del Sol
    El artículo dice que intentaron descartar un gradiente térmico aumentando el grosor del material, pero no entiendo por qué eso lo descartaría. El gradiente aún podría existir
    Si no le suministraron energía intencionalmente, probablemente sea muy eficiente, y aun así eso sería algo grande e importante. Pero me molesta que, para captar la atención del público, parezca necesario presentarlo como una máquina de movimiento perpetuo

    • Entiendo que las universidades necesiten salir en las noticias de vez en cuando, y viendo que este texto llegó a la portada aquí, el método claramente funciona. Pero en el contexto de la publicación científica, expresiones como Passively Harvest y Defies Physics deben usarse con muchísimo cuidado
      Aunque sea una entrada de blog y no esperemos el mismo rigor que en un artículo revisado por pares, al final perjudica a la ciencia. La creencia de que algún material mágico romperá la segunda ley de la termodinámica se acerca más a la alquimia que a la química
    • El PET es un aislante bastante decente, y parece que intentaron confirmar que la causa de la condensación no era una diferencia de temperatura, sino la nanoestructura en sí
      Suponiendo que controlaron la temperatura y la humedad, el material debería calentarse más, lo cual parece que también podría resolverse pasivamente con un disipador. Si lo que describen es correcto, sería algo bastante importante, y suena plausible

  • Bastante genial. Básicamente cambia la diferencia termodinámica necesaria para el ciclo condensación-evaporación: de controlar el clima a controlar el material
    ¿Y si más adelante se pudiera programar el tamaño de los poros? Se podría cambiar cuando hiciera falta el equilibrio de entrada/salida de un reservorio. Uno puede imaginar ropa inteligente: cuando haga calor, agrandar los poros para liberar agua; cuando haga frío, reducirlos para que se evapore menos agua
    Dicho eso, la expresión “viola la física” del artículo molesta

  • En relación con esto, vale la pena ver https://en.wikipedia.org/wiki/Air_well_(condenser), https://en.wikipedia.org/wiki/Fog_collection, https://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_water_generator

    • Parece que este material puede recolectar vapor de agua, no niebla, a temperatura ambiente. Aunque mientras absorbe agua, el material se calienta un poco y luego tiene que enfriarse de nuevo; como cuando está caliente está más caliente que el aire ambiente, eso podría estar bien
    • Todo lo anterior depende de la condensación, y la condensación ocurre cuando la temperatura baja lo suficiente como para que el aire ya no pueda retener el agua
      El mecanismo del nuevo material es completamente distinto. Parece que no hace falta que el aire esté saturado
      Ya existen materiales que eliminan agua del aire. En esos casos, el agua queda absorbida. Este material parece funcionar con un principio parecido, pero la verdadera diferencia es que el agua no permanece absorbida continuamente
    • Me tienta mucho enlazar esto. No en broma, lo digo en serio
      Esto no es Reddit, pero aun así
      https://en.wikipedia.org/wiki/Dune_(novel)

  • Hay que entender que la energía mínima necesaria para separar agua del aire es mucho mayor que la energía mínima necesaria para separar agua de salmuera
    Por este hecho físico, la desalinización siempre será necesariamente más eficiente que la recolección de agua atmosférica

    • Entiendo que la desalinización genera el problema de grandes cantidades de salmuera residual. Con los productos existentes, la desalinización también requiere bastantes materiales consumibles
      Si hubiera un dispositivo que no necesitara insumos consumibles adicionales, parecería bastante interesante. Habrá muchos lugares donde podría ser una ventaja poder usar electricidad, pero sin otros insumos materiales
    • Me pregunto si ese cálculo incluye también los costos de transporte
      Si tienes electricidad, puedes recolectar agua del aire en cualquier lugar. La desalinización normalmente requiere transportar el agua producida en la costa hasta donde se la necesita
      No tengo ni idea de si los costos de transporte podrían llegar a ser lo bastante altos como para hacer que la recolección de agua sea más eficiente

  • Desde la perspectiva del balance energético y la comparación con otras tecnologías, significa que no hace falta aportar energía porque la absorción y la condensación ocurren de forma pasiva dentro del mismo material.
    El calor obtenido durante la absorción se disipa en la siguiente etapa de condensación. Por lo tanto, el impacto de este descubrimiento está en que ya no haría falta energía para aires acondicionados, deshumidificadores o los moisture vaporators de la cresta sur.
    Siempre pruebo las IA, y este fue un tema interesante para ver cómo piensa un modelo sobre una tecnología con la que probablemente no fue entrenado. Grok analizó el proceso con más detalle que yo (B.S.ChemE).
    https://grok.com/share/bGVnYWN5_e80e8100-3682-4157-879e-c5ca...

    • Grok se equivocó. Esa explicación viola la segunda ley de la termodinámica. Dicho eso, el comunicado de prensa es muy propenso a malentendidos, así que es difícil culpar a Grok.

  • Una vez construí algo parecido en medio del Mojave con roca carbonatada, carbón vegetal y un gran tubo de metal corrugado.
    Producía unos 3 galones de agua por noche.
    34.997387, -116.380048
    Deberías poder ver el tubo grande que sobresale. Ahí hay un hotel de mineros construido.

    • ¿Hay algún enlace donde se pueda ver cómo lo construiste?