Một lớp vật liệu nano có cấu trúc được phát hiện tình cờ có thể thu thập nước thụ động từ không khí
bởi Đại học Pennsylvania
Phác thảo về quá trình hình thành giọt nước vĩ mô trên PINF nano xốp lưỡng tính. Nguồn: Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adu8349
Một quan sát tình cờ trong phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hóa học tại Penn Engineering đã dẫn đến một khám phá đáng ngạc nhiên: một lớp vật liệu nano có cấu trúc mới có thể hút nước từ không khí, thu thập nước trong các lỗ rỗng và giải phóng nước lên bề mặt mà không cần bất kỳ năng lượng bên ngoài nào.
Nghiên cứu được công bố trên Science Advances mô tả một vật liệu có thể mở ra cánh cửa cho những cách mới để thu thập nước từ không khí ở các vùng khô cằn và các thiết bị làm mát thiết bị điện tử hoặc tòa nhà bằng sức mạnh của quá trình bay hơi.
Nhóm liên ngành bao gồm Daeyeon Lee, Russell Pearce và Elizabeth Crimian Heuer, Giáo sư Kỹ thuật Hóa học và Sinh học Phân tử (CBE); Amish Patel, Giáo sư CBE; Baekmin Kim, học giả sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Lee và là tác giả đầu tiên; và Stefan Guldin, Giáo sư về Vật chất mềm phức hợp tại Đại học Kỹ thuật Munich.
"Chúng tôi thậm chí không cố gắng thu thập nước", Lee nói. "Chúng tôi đang làm việc trên một dự án khác để thử nghiệm sự kết hợp giữa các lỗ nano ưa nước và polyme kỵ nước khi Bharath Venkatesh, một cựu nghiên cứu sinh tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của chúng tôi, nhận thấy các giọt nước xuất hiện trên một vật liệu mà chúng tôi đang thử nghiệm. Điều đó không có ý nghĩa gì. Đó là lúc chúng tôi bắt đầu đặt câu hỏi".
Những câu hỏi đó đã dẫn đến một nghiên cứu chuyên sâu về một loại vật liệu nano xốp lưỡng tính mới: một loại vật liệu kết hợp các thành phần ưa nước (ưa nước) và kỵ nước (kỵ nước) trong một cấu trúc nano độc đáo. Kết quả là một vật liệu vừa thu được độ ẩm từ không khí vừa đồng thời đẩy độ ẩm đó ra ngoài dưới dạng các giọt nước.
Các lỗ nano thu nước
Khi nước ngưng tụ trên bề mặt, thường cần phải giảm nhiệt độ hoặc độ ẩm rất cao. Các phương pháp thu thập nước thông thường dựa trên các nguyên lý này, thường đòi hỏi năng lượng đầu vào để làm lạnh bề mặt hoặc sương mù dày đặc hình thành để thu thập nước thụ động từ môi trường ẩm ướt. Nhưng hệ thống của Lee và Patel lại hoạt động khác.
Thay vì làm mát, vật liệu của họ dựa vào ngưng tụ mao dẫn, một quá trình mà hơi nước ngưng tụ bên trong các lỗ nhỏ ngay cả ở độ ẩm thấp hơn. Đây không phải là điều mới mẻ. Điểm mới là trong hệ thống của họ, nước không chỉ bị giữ lại bên trong các lỗ như thường thấy trong các loại vật liệu này.
"Trong các vật liệu nano xốp thông thường, khi nước đi vào các lỗ, nó sẽ ở lại đó", Patel giải thích. "Nhưng trong vật liệu của chúng tôi, nước di chuyển, đầu tiên ngưng tụ bên trong các lỗ, sau đó thoát ra bề mặt dưới dạng các giọt. Điều này chưa từng thấy trước đây trong một hệ thống như thế này và lúc đầu chúng tôi nghi ngờ những quan sát của mình".
Các lỗ nano hoạt động dưới hình ảnh kính hiển vi điện tử cho thấy các giọt nước hình thành và được bổ sung bằng nước dự trữ trong chính vật liệu (video do phòng thí nghiệm Daeyeon Lee tại Penn Engineering cung cấp). Tín dụng: Phòng thí nghiệm Daeyeon Lee / Penn Engineering.
Một vật liệu thách thức vật lý
Trước khi hiểu được điều gì đang xảy ra, các nhà nghiên cứu ban đầu nghĩ rằng nước chỉ đơn giản là ngưng tụ trên bề mặt vật liệu do một hiện tượng trong quá trình thiết lập thí nghiệm của họ, chẳng hạn như sự chênh lệch nhiệt độ trong phòng thí nghiệm. Để loại trừ điều đó, họ đã tăng độ dày của vật liệu để xem lượng nước thu được trên bề mặt có thay đổi hay không.
"Nếu những gì chúng tôi quan sát được chỉ là do ngưng tụ bề mặt, thì độ dày của vật liệu sẽ không làm thay đổi lượng nước hiện diện", Lee giải thích.
Nhưng tổng lượng nước thu được tăng lên khi độ dày của màng tăng lên, chứng tỏ rằng các giọt nước hình thành trên bề mặt đến từ bên trong vật liệu.
Thậm chí còn đáng ngạc nhiên hơn: các giọt nước không bốc hơi nhanh như nhiệt động lực học dự đoán.
"Theo độ cong và kích thước của các giọt nước, chúng phải bốc hơi", Patel nói. "Nhưng chúng không bốc hơi; chúng vẫn ổn định trong thời gian dài".
Với một vật liệu có khả năng thách thức các định luật vật lý trong tay, Lee và Patel đã gửi thiết kế của họ cho một cộng sự để xem liệu kết quả của họ có thể sao chép được hay không.
"Chúng tôi nghiên cứu các màng xốp trong nhiều điều kiện khác nhau, sử dụng những thay đổi tinh tế trong phân cực ánh sáng để thăm dò các hiện tượng phức tạp ở quy mô nano", Guldin nói. "Nhưng chúng tôi chưa bao giờ thấy bất cứ thứ gì giống như thế này. Nó hoàn toàn hấp dẫn và rõ ràng sẽ khơi dậy những nghiên cứu mới và thú vị".
Một chu kỳ ổn định của ngưng tụ và giải phóng
Hóa ra là họ đã tạo ra một vật liệu có sự cân bằng vừa phải giữa các hạt nano hút nước và nhựa đẩy nước—polyethylene—để tạo ra một màng hạt nano có đặc tính đặc biệt này.
"Chúng tôi vô tình chạm đến điểm ngọt ngào", Lee nói. "Các giọt được kết nối với các bể chứa ẩn trong các lỗ rỗng bên dưới. Các bể chứa này liên tục được bổ sung từ hơi nước trong không khí, tạo ra một vòng phản hồi có thể thực hiện được nhờ quá trình hoàn hảo này sự cân bằng giữa vật liệu ưa nước và vật liệu kỵ nước."
Nền tảng thu thập nước thụ động và hơn thế nữa
Ngoài hành vi thách thức vật lý, tính đơn giản của vật liệu là một phần khiến chúng trở nên đầy hứa hẹn. Được làm từ các polyme và hạt nano thông thường bằng các phương pháp chế tạo có thể mở rộng, những màng phim này có thể được tích hợp vào các thiết bị thu thập nước thụ động cho các vùng khô cằn, bề mặt làm mát thiết bị điện tử hoặc lớp phủ thông minh phản ứng với độ ẩm xung quanh.
"Chúng tôi vẫn đang khám phá các cơ chế đang hoạt động", Patel nói. "Nhưng tiềm năng rất thú vị. Chúng tôi đang học hỏi từ sinh học—cách các tế bào và protein quản lý nước trong môi trường phức tạp—và áp dụng điều đó để thiết kế các vật liệu tốt hơn."
"Đây chính xác là điều Penn làm tốt nhất, kết hợp chuyên môn về kỹ thuật hóa học, khoa học vật liệu, hóa học và sinh học để giải quyết các vấn đề lớn", Lee nói thêm.
Các bước tiếp theo bao gồm nghiên cứu cách tối ưu hóa sự cân bằng giữa các thành phần ưa nước và kỵ nước, mở rộng quy mô vật liệu để sử dụng trong thế giới thực và nghiên cứu cách làm cho các giọt thu thập được lăn ra khỏi bề mặt một cách hiệu quả.
Cuối cùng, các nhà nghiên cứu hy vọng khám phá này sẽ dẫn đến các công nghệ cung cấp nước sạch ở vùng khí hậu khô hoặc các phương pháp làm mát bền vững hơn chỉ sử dụng hơi nước đã có trong không khí.
Thông tin thêm: Baekmin Q. Kim et al, Các lỗ nano ưa nước ngưng tụ hơi nước chưa bão hòa và thải ra các giọt nước, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adu8349
Thông tin tạp chí: Science Advances
Được cung cấp bởi Đại học Pennsylvania
