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Los ingenieros del MIT han sintetizado un material superabsorbente capaz de absorber una cantidad récord de humedad del aire, incluso en condiciones desérticas.
A medida que el material absorbe el vapor de agua, puede hincharse para dejar espacio para más humedad. Incluso en condiciones muy secas, con una humedad relativa del 30 %, el material puede extraer vapor del aire y retener la humedad sin fugas. Luego, el agua podría calentarse y condensarse, y luego recolectarse como agua ultrapura.
El material transparente y gomoso está hecho de hidrogel, un material naturalmente absorbente que también se usa en pañales desechables. El equipo mejoró la absorbencia del hidrogel al infundirlo con cloruro de litio, un tipo de sal conocido por ser un fuerte desecante.
Los investigadores descubrieron que podían infundir el hidrogel con más sal de lo que era posible en estudios anteriores. Como resultado, observaron que el gel cargado de sal absorbía y retenía una cantidad de humedad sin precedentes, en un rango de niveles de humedad, incluidas condiciones muy secas que limitaban otros diseños de materiales.
Si se puede fabricar rápidamente y a gran escala, el gel superabsorbente podría usarse como colector pasivo de agua, especialmente en regiones desérticas y propensas a la sequía, donde el material podría absorber continuamente vapor, que luego podría condensarse en agua potable. . Los investigadores también prevén que el material podría adaptarse a las unidades de aire acondicionado como un elemento de deshumidificación de bajo consumo.
«Hemos sido independientes de las aplicaciones, en el sentido de que nos enfocamos principalmente en las propiedades fundamentales del material», dice Carlos Díaz-Marin, estudiante de posgrado en ingeniería mecánica y miembro del Laboratorio de Investigación de Dispositivos del MIT. “Pero ahora estamos explorando temas muy diferentes, como hacer que el aire acondicionado sea más eficiente y cómo se puede recolectar agua. Este material, debido a su bajo costo y alto rendimiento, tiene mucho potencial.
Díaz-Marin y sus colegas publicaron sus hallazgos en un artículo que apareció hoy en Materiales avanzados. Los coautores del estudio en el MIT son Gustav Graeber, Leon Gaugler, Yang Zhong, Bachir El Fil, Xinyue Liu y Evelyn Wang.
«Lo mejor de ambos mundos»
En el Laboratorio de Investigación de Dispositivos del MIT, los investigadores diseñan nuevos materiales para resolver problemas globales de energía y agua. En busca de materiales que puedan ayudar a recolectar agua del aire, el equipo se centró en los hidrogeles: geles resbaladizos y elásticos que están hechos principalmente de agua y un poco de polímero reticulado. Los hidrogeles se han utilizado durante años como material absorbente en pañales porque pueden hincharse y absorber una gran cantidad de agua cuando entran en contacto con el material.
«Nuestra pregunta era, ¿cómo podemos hacer que funcione tan bien para absorber el vapor del aire?» dijo Díaz-Marín.
Él y sus colegas investigaron la literatura y descubrieron que otros habían experimentado mezclando hidrogeles con varias sales. Algunas sales, como la sal de roca que se usa para derretir el hielo, son muy buenas para absorber la humedad, incluido el vapor de agua. Y el mejor de ellos es el cloruro de litio, una sal capaz de absorber más de 10 veces su propia masa en humedad. Si se deja solo en un montón, el cloruro de litio podría atraer el vapor del aire, aunque la humedad solo se concentra alrededor de la sal, sin forma de retener el agua absorbida.
Entonces, los investigadores intentaron infundir la sal en el hidrogel, produciendo un material que podría retener la humedad e hincharse para acomodar más agua.
«Es lo mejor de ambos mundos», dice Graeber, quien ahora es investigador principal en la Universidad Humboldt de Berlín. “El hidrogel puede almacenar mucha agua y la sal puede atrapar mucho vapor. Así que es intuitivo que quieras combinar los dos.
Tiempo de carga
Pero el equipo del MIT descubrió que otros estaban llegando al límite de la cantidad de sal que podían cargar en sus geles. Las muestras con mejor rendimiento hasta la fecha fueron los hidrogeles infundidos con 4-6 gramos de sal por gramo de polímero. Estas muestras absorbieron aproximadamente 1,5 gramos de vapor por gramo de material en condiciones secas de 30% de humedad relativa.
En la mayoría de los estudios, los investigadores habían sintetizado previamente muestras sumergiendo hidrogeles en agua salada y esperando que la sal se infundiera en los geles. La mayoría de los experimentos terminaron después de 24 a 48 horas, ya que los investigadores encontraron que el proceso era demasiado lento y que quedaba poca sal en los geles. Al probar la capacidad del material resultante para absorber vapor de agua, las muestras absorbieron muy poco, ya que contenían poca sal en primer lugar para absorber la humedad.
¿Qué pasaría si se permitiera que la síntesis de materiales continuara, digamos, durante días o incluso semanas? ¿Podría un hidrogel absorber aún más sal, con suficiente tiempo? Para responder a esto, el equipo del MIT realizó experimentos con poliacrilamida (un hidrogel común) y cloruro de litio (una sal superabsorbente). Después de sintetizar los tubos de hidrogel mediante métodos de mezcla estándar, los investigadores cortaron los tubos en discos delgados y colocaron cada disco en una solución de cloruro de litio con una concentración de sal diferente. Sacaron los discos de la solución todos los días para pesarlos y determinar cuánta sal se había infundido en los geles, luego los volvieron a poner en sus soluciones.
Al final, encontraron que efectivamente, con más tiempo, los hidrogeles absorbían más sal. Después de sumergirse en solución salina durante 30 días, los hidrogeles incorporaron hasta 24 de ellos, por encima del récord anterior de 6 gramos de sal por gramo de polímero.
Luego, el equipo sometió varias muestras de los geles cargados de sal a pruebas de absorción en una variedad de condiciones de humedad. Descubrieron que las muestras podían hincharse y absorber más humedad en todos los niveles de humedad, sin fugas. Específicamente, el equipo informa que bajo condiciones muy secas de 30% de humedad relativa, los geles capturaron un «récord» de 1,79 gramos de agua por gramo de material.
“Cualquier desierto durante la noche tendría esta baja humedad relativa, por lo que en teoría este material podría generar agua en el desierto”, dice Díaz-Marin, quien ahora investiga formas de acelerar las propiedades superabsorbentes del material.
“La gran sorpresa inesperada fue que con un enfoque tan simple, pudimos lograr la mayor absorción de vapor reportada hasta la fecha”, dice Graeber. «Ahora la atención se centrará en la cinética y en la rapidez con la que podemos hacer que el material absorba agua. Esto le permitirá reciclar ese material muy rápidamente, de modo que en lugar de recuperar el agua una vez al día, puede recolectar agua tal vez 24 veces un día.
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias de Suiza.
