MIT mühendisleri tarafından geliştirilen yeni bir malzeme “rekor kıran” buhar emilimi
sergiliyor. MIT mühendisleri, çöl benzeri koşullarda bile havadaki rekor miktarda nemi emebilen süper emici bir malzeme sentezledi.
Malzeme su buharını emdikçe, daha fazla neme yer açmak için şişebiliyor. Yüzde 30 bağıl
neme sahip çok kuru koşullarda bile malzeme, havadaki buharı çekebilir ve nemi
sızdırmadan tutabilir. Su daha sonra ısıtılıp yoğunlaştırılabilir ve ultra saf su olarak
toplanabilir.
Şeffaf, kauçuksu malzeme, tek kullanımlık çocuk bezlerinde de kullanılan doğal emici bir
malzeme olan hidrojelden yapılmıştır. Ekip, hidrojelin emiciliğini, güçlü bir kurutucu olduğu
bilinen bir tuz türü olan lityum klorür ile aşılayarak artırdı.
Araştırmacılar, hidrojeli önceki çalışmalarda mümkün olandan daha fazla tuzla
aşılayabildiklerini keşfettiler. Sonuç olarak, tuz yüklü jelin, diğer malzeme tasarımlarını
sınırlayan çok kuru koşullar da dahil olmak üzere, bir dizi nem seviyesi boyunca benzeri
görülmemiş miktarda nemi emdiğini ve tuttuğunu gözlemlediler.
Hızlı ve büyük ölçekte üretilebilirse, süper emici jel, özellikle malzemenin sürekli olarak
buharı emebileceği ve daha sonra içme suyuna yoğunlaştırılabileceği çöl ve kuraklığa
eğilimli bölgelerde pasif bir su toplayıcı olarak kullanılabilir. Araştırmacılar ayrıca
malzemenin enerji tasarrufu sağlayan, nem giderici bir unsur olarak klima ünitelerine
takılabileceğini de öngörüyor.
Makine mühendisliği yüksek lisans öğrencisi ve MIT Cihaz Araştırma Laboratuvarı üyesi
Carlos Díaz-Marin, “Çoğunlukla malzemenin temel özelliklerine odaklandığımız için
uygulamadan bağımsız davrandık” diyor. “Ama şimdi iklimlendirmenin nasıl daha verimli
hale getirilebileceği ve suyun nasıl hasat edilebileceği gibi çok farklı sorunları araştırıyoruz.
Bu malzeme, düşük maliyeti ve yüksek performansı nedeniyle çok fazla potansiyele sahip.”
Díaz-Marin ve meslektaşları elde ettikleri sonuçları bugün Advanced Materials dergisinde
yayınlanan bir makalede yayınladılar. Çalışmanın MIT’deki ortak yazarları Gustav Graeber,
Leon Gaugler, Yang Zhong, Bachir El Fil, Xinyue Liu ve Evelyn Wang.
“Her iki dünyanın da en iyisi”
MIT’nin Cihaz Araştırma Laboratuarında araştırmacılar, dünyanın enerji ve su sorunlarını
çözmek için yeni malzemeler tasarlıyor. Havadan su toplanmasına yardımcı olabilecek
malzemeler arayan ekip, çoğunlukla sudan ve biraz çapraz bağlı polimerden yapılan kaygan,
esnek jeller olan hidrojellere odaklandı. Hidrojeller yıllardır çocuk bezlerinde emici malzeme
olarak kullanılmaktadır çünkü malzemeyle temas ettiğinde şişebilir ve büyük miktarda suyu
emebilirler.
“Bizim sorumuz, bunun havadaki buharı emmek için de aynı şekilde çalışmasını nasıl
sağlayabileceğimizdi?” diyor Díaz-Marin.
O ve meslektaşları literatürü araştırdılar ve başkalarının hidrojelleri çeşitli tuzlarla
karıştırmayı denediklerini gördüler. Buzları eritmek için kullanılan kaya tuzu gibi bazı tuzlar,
su buharı da dahil olmak üzere nemi emmede çok etkilidir. Bunlar arasında en iyisi, kendi
kütlesinin 10 katından fazla nem emebilen bir tuz olan lityum klorürdür. Kendi başına bir
yığın halinde bırakıldığında, lityum klorür havadaki buharı çekebilir, ancak nem yalnızca
tuzun etrafında toplanır ve emilen suyu tutmanın hiçbir yolu yoktur.
Bu nedenle araştırmacılar tuzu hidrojele aşılayarak hem nemi tutabilen hem de daha fazla
su barındırmak için şişebilen bir malzeme üretmeyi denediler.
Şu anda Berlin’deki Humboldt Üniversitesi’nde baş araştırmacı olan Graeber, “Bu her iki
dünyanın da en iyisi” diyor. “Hidrojel çok fazla su depolayabilir ve tuz çok fazla buharı
yakalayabilir. Bu yüzden ikisini birleştirmek istemeniz çok doğal.”
Yüklenme süresi
Ancak MIT ekibi, diğerlerinin jellerine yükleyebilecekleri tuz miktarında bir sınıra ulaştıklarını
buldu. Bugüne kadar en iyi performans gösteren örnekler, bir gram polimer başına 4 ila 6
gram tuz eklenen hidrojellerdi. Bu örnekler, yüzde 30 bağıl nem oranına sahip kuru
koşullarda gram malzeme başına yaklaşık 1,5 gram buhar emdi.
Çoğu çalışmada, araştırmacılar daha önce hidrojelleri tuzlu suda bekleterek ve tuzun jellere
aşılanmasını bekleyerek örnekleri sentezlemişlerdi. Çoğu deney 24 ila 48 saat sonra sona
erdi, çünkü araştırmacılar sürecin çok yavaş olduğunu ve jellerde çok fazla tuz
bulunmadığını keşfettiler. Elde edilen malzemenin su buharını emme kabiliyetini test
ettiklerinde, ilk etapta nemi emmek için çok az tuz içerdiklerinden, örnekler çok az ıslandı.
Malzeme sentezinin günlerce, hatta haftalarca devam etmesine izin verilseydi ne olurdu?
Yeterli zaman verilirse bir hidrojel daha da fazla tuz emebilir mi? MIT ekibi cevap bulmak için
poliakrilamid (yaygın bir hidrojel) ve lityum klorür (süper emici bir tuz) ile deneyler
gerçekleştirdi. Standart karıştırma yöntemleriyle hidrojel tüpleri sentezledikten sonra,
araştırmacılar tüpleri ince diskler halinde dilimledi ve her diski farklı bir tuz konsantrasyonuna
sahip bir lityum klorür çözeltisine bıraktı. Diskleri her gün çözeltiden çıkararak tarttılar ve
jellere karışan tuz miktarını belirledikten sonra çözeltilerine geri koydular.
Sonunda, gerçekten de daha fazla zaman verildiğinde hidrojellerin daha fazla tuz aldığını
gördüler. Tuzlu çözeltide 30 gün bekletildikten sonra hidrojeller, bir önceki rekor olan gram
polimer başına 6 gram tuza karşılık 24 gram tuzu bünyelerine aldılar.
Ekip daha sonra tuz yüklü jellerin çeşitli örneklerini çeşitli nem koşullarında emilim
testlerinden geçirdi. Örneklerin tüm nem seviyelerinde sızıntı olmadan şişebildiğini ve daha
fazla nem emebildiğini gördüler. En önemlisi, ekip, yüzde 30 bağıl nem oranına sahip çok
kuru koşullarda, jellerin gram malzeme başına “rekor kıran” 1,79 gram su yakaladığını
bildirdi.
Şimdi malzemenin süper emici özelliklerini hızlandırmanın yollarını arayan Díaz-Marin,
“Gece boyunca herhangi bir çöl bu kadar düşük bağıl neme sahip olacaktır, bu nedenle bu
malzeme çölde su üretebilir” diyor.
Graeber, “Büyük ve beklenmedik sürpriz, bu kadar basit bir yaklaşımla, bugüne kadar
bildirilen en yüksek buhar alımını elde edebilmiş olmamızdı” diyor. “Şimdi asıl odak noktamız
kinetik ve malzemenin ne kadar hızlı su almasını sağlayabileceğimiz olacak. Bu, bu
malzemeyi çok hızlı bir şekilde döngüye sokmanıza olanak tanıyacak, böylece günde bir kez
su geri kazanmak yerine, günde belki 24 kez su toplayabilirsiniz.”
