Hemičari i inženjeri pronalaze inovativne načine da pristupe vodi – uključujući i izvlačenje iz vazduha. Sada su istraživači Univerziteta u Čikagu pronašli način da izvuku još više vode.
Godine 2021, prof. Laura Gagliardi sa Pritzker škole za molekularno inženjerstvo i odeljenja za hemiju bila je deo međuinstitucionalnog tima koji je razvijao novi uređaj za izdvajanje vode iz vazduha. Ključna inovacija je dizajnirani materijal nazvan metalno-organski okvir, hibridna struktura metalnih jona i organskih linkera koji se mogu podesiti na molekularnom nivou.
MOF imaju strukturu praznih pora koje adsorbuju molekule vode iz vazduha. Gagliardi i njen tim su koristili teorijske i računarske metode da bolje razumeju kako materijal funkcioniše na atomskom nivou.
Sada, Gagliardijev tim je pomogao u vođenju dizajna optimizovanog MOF-a koji adsorbuje 50% više vode iz vazduha nego prethodna verzija. Materijal će na kraju biti ugrađen u uređaj napravljen da demonstrira ovu tehnologiju koja potencijalno menja igru.
„To je pravi proboj“, rekao je Galjardi. „To pokazuje da teorija, modeliranje i predviđanje mogu voditi nove eksperimente i novu tehnologiju.“ Istraživanje je objavljeno u ACS Central Science.
Iako je originalni MOF dobro funkcionisao, tim je želeo da ga poboljša povećanjem zapremine pora materijala, ali u isto vreme zadržavajući sličnu snagu vezivanja za vodu. MOF okvir se sastoji od sićušnih šipki na bazi aluminijuma povezanih molekulima „linkera“. Ova struktura stvara pore koje su obložene naizmeničnim hidrofilnim (vezujući vodu) i hidrofobnim (bez vode) džepovima.
Ovi džepovi su idealno prikladni za početno vezivanje vode – kada je MOF izložen vazduhu, molekuli vode se prirodno vezuju za njega. Kada su početni molekuli vode vezani, onda se sledeći molekuli vezuju za početne molekule vode.
Rezultat je „sunđer“ pun vode. Ali istraživači su želeli da povećaju zapreminu pora (što bi omogućilo prostor za više vode da se izvuče iz vazduha) dok i dalje zadrže ovo posebno okruženje potrebno za privlačenje početnih molekula vode. Tim je takođe morao da pronađe pravo slatko mesto u dizajnu: voda je bila potrebna da se veže za MOF, ali ne previše snažno, inače se nikada ne bi mogla desorbovati (istisnuti iz sunđera).
Gagliardijev tim je pokrenuo kompjuterske simulacije da bi pronašao šta je na kraju bio odgovor: dodavanje specijalnog proširenja povezivača, u suštini dugačke ruke na strukturi napravljenoj od dva atoma ugljenika, koja bi povećala veličinu pora uz zadržavanje posebnih svojstava vezivanja vode koja je MOF prvobitno imao .
Sarađivali su sa eksperimentatorima na Univerzitetu Kalifornije u Berkliju kako bi osigurali da se materijal može sintetizovati po relativno niskoj ceni. Tim—koji takođe uključuje istraživače sa Univerziteta u Minesoti, General Electric i Humboldt univerziteta u Berlinu—sada povećava proizvodnju ovog novog MOF-a i ugrađuje ga u svoj prototip uređaja za sakupljanje vode. Ako u uređaju radi jednako dobro kao u laboratoriji, to znači da bi uređaj mogao prikupiti znatno više vode nego ranije.
„To je bila prava saradnja diskusija, modeliranja i eksperimenata“, rekao je Gagliardi.
Zatim, tim razmatra dodatne promene u dizajnu i integriše mašinsko učenje koje može da pregleda podatke koje su dobili kroz svoje modeliranje i eksperimente kako bi dalo nove predloge za poboljšanje. Na kraju, uređaj bi se mogao koristiti za pomoć vojnicima u borbi u sušnim oblastima ili civilima u regionima koji su ugroženi vodom.
„Nadajmo se da ćemo nastaviti sa ovim otkrićima koja će na kraju pomoći ljudima da zahvate vodu u sušnim klimama“, rekla je ona.
