Vật liệu nano giúp giải quyết tình trạng khan hiếm nước toàn cầu

Một nhóm nhà khoa học quốc tế đã phát triển một loại vật liệu nano mới giúp tạo ra nước uống sạch từ hơi nước trong không khí.

Theo thông báo từ Đại học New South Wales (UNSW) của Australia, vật liệu nano mới có thể hấp thụ hơi nước và lưu trữ lượng nước nhiều hơn 3 lần trọng lượng của nó. Đáng chú ý là vật liệu này có thể giúp thu được lượng nước nhanh hơn nhiều so với các công nghệ thương mại hiện có, mở ra tiềm năng về các giải pháp tạo ra nước uống trực tiếp từ không khí.

Dự án do Trung tâm Khoa học và Đổi mới sáng tạo carbon của Hội đồng Nghiên cứu Australia (ARC COE-CSI) tiến hành, với sự tham gia của Giáo sư từng đạt giải Nobel Kostya Novoselov thuộc Đại học Quốc gia Singapore.

Vật liệu hấp thụ nước siêu mạnh

Vật liệu nano mới này dựa trên dạng oxit graphene đã được nghiên cứu kỹ lưỡng. Oxit graphene có đặc tính hấp thụ nước tốt - đây là đặc tính cho phép nước liên kết với bề mặt của vật liệu. Ngoài ra, canxi cũng có đặc tính hấp thụ nước tốt. Nhóm nghiên cứu quyết định xem điều gì sẽ xảy ra nếu đặt xen kẽ các ion canxi (Ca2+) vào oxit graphene. Và điều xảy ra là không ngờ tới.

Một đặc tính quan trọng của vật liệu hấp thụ nước hiệu quả là liên kết hydro mạnh giữa nước và vật liệu mà nó hấp thụ - đây là đặc tính mà cả oxit graphene và canxi đều có. Liên kết hydro càng mạnh thì vật liệu càng có thể hấp thụ nước nhiều hơn. Nhưng khi oxit graphene xen kẽ canxi, chính sự hiệp đồng giữa canxi và oxy tạo điều kiện cho quá trình hấp thụ nước đặc biệt.

Điều mà nhóm nghiên cứu phát hiện ra là cách canxi phối hợp với oxy trong graphene làm thay đổi độ mạnh của liên kết hydro giữa nước và canxi để làm cho các liên kết đó thậm chí còn mạnh hơn.

"Chúng tôi đã đo lượng nước hấp phụ trên oxit graphene riêng lẻ và chúng tôi đã đo được X. Chúng tôi đã đo lượng nước hấp phụ trên canxi riêng lẻ và chúng tôi đã thu được Y. Khi chúng tôi đo lượng nước hấp phụ trên oxit graphene xen kẽ canxi, chúng tôi đã thu được một lượng còn nhiều hơn X+Y" - Xiaojun (Carlos) Ren, tác giả đầu tiên của báo cáo, cho biết.

Liên kết hydro mạnh hơn dự kiến này là một trong những lý do khiến vật liệu có khả năng hấp phụ nước cực cao.

Vật liệu mới thậm chí nhẹ như lông vũ

Nhóm nghiên cứu đã thực hiện thêm một điều chỉnh thiết kế nữa để tăng cường khả năng hấp phụ nước của vật liệu. Họ đã tạo ra oxit graphene xen kẽ canxi dưới dạng aerogel - một trong những vật liệu rắn nhẹ nhất được biết đến.

Aerogel có nhiều lỗ với kích thước từ micro đến nanomet, tạo cho chúng diện tích bề mặt lớn, giúp dạng khí gel này hấp thụ nước nhanh hơn nhiều so với oxit graphene tiêu chuẩn.

Aerogel cũng cung cấp cho vật liệu các đặc tính giống như bọt biển giúp quá trình giải phóng nước khỏi màng dễ dàng hơn.

"Năng lượng duy nhất mà hệ thống này cần là lượng nhỏ cần thiết để làm nóng hệ thống lên khoảng 50 độ nhằm giải phóng nước khỏi khí gel" - Giáo sư Daria Andreeva, đồng tác giả của báo cáo, cho biết.

Sức mạnh của siêu máy tính

Nghiên cứu được thực hiện dựa trên công trình thực nghiệm trong khi lý thuyết dựa trên siêu máy tính của Cơ sở hạ tầng tính toán quốc gia Australia (NCI) tại Canberra.

Giáo sư Amir Karton đến từ Đại học New England đã chỉ đạo công trình tính toán để cung cấp những hiểu biết quan trọng về cơ chế cơ bản.

"Các mô phỏng được mô hình hóa được thực hiện trên siêu máy tính đã giải thích các tương tác hiệp đồng phức tạp ở cấp độ phân tử và những hiểu biết này hiện giúp thiết kế các hệ thống tốt hơn nữa để tạo ra nước trong khí quyển, đưa ra giải pháp bền vững cho thách thức ngày càng gia tăng về khả năng cung cấp nước ngọt ở khu vực Australia và các khu vực thiếu nước trên toàn cầu" - Giáo sư Karton cho biết.

Nghiên cứu này là sự hợp tác toàn cầu giữa các nhóm nghiên cứu từ Australia, Trung Quốc, Nhật Bản, Singapore và Ấn Độ.

Theo một báo cáo của Liên hợp quốc, ước tính có khoảng 2,2 tỷ người đang thiếu nước uống sạch trên toàn cầu. Trong khi đó, trên Trái Đất có khoảng 13 triệu gigalit nước lơ lửng trong khí quyển. Mặc dù chỉ là một phần nhỏ trong tổng lượng nước trên Trái Đất nhưng nó vẫn là nguồn nước ngọt đáng kể.

Phó Giáo sư Rakesh Joshi cho biết: "Công nghệ của chúng tôi sẽ được ứng dụng ở bất kỳ khu vực nào có đủ độ ẩm".

Giáo sư Kostya Novoselov cho rằng: "Đây là một ví dụ tuyệt vời về việc hợp tác liên ngành, toàn cầu có thể mang đến các giải pháp thực tế cho một trong những vấn đề cấp bách nhất của thế giới - tiếp cận nước sạch".

Nghiên cứu đã được công bố trên Biên bản của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (PNAS).

Nguồn: VTV