Une découverte fortuite : Des nanomatériaux révolutionnaires captent l'eau de l'air sans énergie
Une observation fortuite dans un laboratoire de génie chimique de l'Université de Pennsylvanie a mené à une découverte surprenante : une nouvelle classe de nanomatériaux capables d'extraire passivement l'eau de l'air. Publiée le 21 mai 2025 dans Science Advances, cette recherche décrit un matériau prometteur pour la collecte d'eau dans les régions arides et le refroidissement des appareils électroniques.
L'équipe interdisciplinaire, dirigée par Daeyeon Lee et Amish Patel de l'Université de Pennsylvanie, a accidentellement découvert ce matériau lors d'expériences sur des nanopores hydrophiles. « Nous ne cherchions même pas à collecter de l'eau », explique Lee. Un ancien doctorant a remarqué des gouttelettes se formant spontanément sur leur matériau test.
Le matériau amphiphile combine des composants hydrophiles et hydrophobes dans une structure nanoporeuse unique. Contrairement aux matériaux conventionnels, l'eau ne reste pas piégée dans les pores mais ressort sous forme de gouttelettes stables. Ce phénomène défie les lois thermodynamiques habituelles.
Le secret réside dans un équilibre parfait entre des nanoparticules hydrophiles et du polyéthylène hydrophobe. « Nous avons accidentellement trouvé le point idéal », déclare Lee. Les gouttelettes se connectent à des réservoirs cachés dans les pores, créant un cycle continu de condensation et libération.
Stefan Guldin de l'Université technique de Munich, collaborateur de l'étude, confirme : « Nous n'avions jamais rien vu de tel. C'est fascinant. » Les applications potentielles incluent la récolte passive d'eau dans les déserts et des systèmes de refroidissement durable.
Fabriqués à partir de polymères courants, ces films nanostructurés pourraient être produits à grande échelle. Les chercheurs étudient maintenant comment optimiser leur composition et améliorer l'écoulement des gouttelettes. Cette innovation s'inspire des mécanismes biologiques de gestion de l'eau dans les cellules.
« C'est typique de Penn », ajoute Lee, « réunir l'ingénierie chimique, la science des matériaux et la biologie pour résoudre des problèmes majeurs. » L'équipe explore maintenant comment transformer cette découverte en technologies pratiques pour fournir de l'eau propre et des solutions de refroidissement écologiques.
Plus d'informations dans l'article original : Baekmin Q. Kim et al, Science Advances (2025). DOI : 10.1126/sciadv.adu8349
Phát hiện tình cờ: Vật liệu nano 'ma thuật' hút nước từ không khí không cần năng lượng
Một phát hiện tình cờ tại Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hóa học Đại học Pennsylvania đã mở ra kỷ nguyên mới trong công nghệ thu hoạch nước từ không khí. Nghiên cứu công bố ngày 21/5/2025 trên tạp chí Science Advances mô tả lớp vật liệu nano cấu trúc đặc biệt có khả năng thụ động thu nước từ không khí mà không cần năng lượng đầu vào, hứa hẹn ứng dụng cho vùng khô hạn và hệ thống làm mát.
Nhóm nghiên cứu đa ngành gồm GS Daeyeon Lee, GS Amish Patel (ĐH Pennsylvania), nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Baekmin Kim (tác giả chính) và GS Stefan Guldin (ĐH Kỹ thuật Munich) ban đầu không có ý định phát triển vật liệu thu nước. 'Chúng tôi đang thử nghiệm kết hợp lỗ nano ưa nước với polymer kỵ nước thì phát hiện giọt nước xuất hiện trên bề mặt vật liệu - điều không thể lý giải', GS Lee chia sẻ về khám phá tình cờ của cựu nghiên cứu sinh Bharath Venkatesh.
Vật liệu lưỡng tính nano này kết hợp thành phần ưa nước (hydrophilic) và kỵ nước (hydrophobic) trong cấu trúc nano độc đáo. Khác với vật liệu xốp nano thông thường giữ nước trong lỗ, hệ thống mới cho phép nước ngưng tụ trong lỗ rỗng rồi tự động đẩy ra ngoài dưới dạng giọt - hiện tượng chưa từng được quan sát trước đây.
Ban đầu, nhóm nghiên cứu nghi ngờ hiện tượng này do yếu tố nhiễu trong thí nghiệm. Nhưng thử nghiệm tăng độ dày vật liệu chứng minh nước thực sự di chuyển từ bên trong ra bề mặt. Đáng ngạc nhiên hơn, các giọt nước không bốc hơi nhanh như dự đoán nhiệt động lực học. 'Theo tính toán về độ cong và kích thước, chúng lẽ ra phải bốc hơi, nhưng lại ổn định trong thời gian dài', GS Patel cho biết.
GS Guldin từ ĐH Munich xác nhận tính độc đáo của phát hiện: 'Chúng tôi chưa từng thấy hiện tượng nào tương tự. Điều này chắc chắn sẽ mở ra hướng nghiên cứu mới đầy hứa hẹn'. Vật liệu đạt được sự cân bằng hoàn hảo giữa hạt nano ưa nước và polyethylene kỵ nước, tạo ra chu trình ổn định: giọt nước trên bề mặt được bổ sung liên tục từ hơi ẩm không khí qua các 'kho chứa' lỗ nano bên dưới.
Ưu điểm lớn của vật liệu này nằm ở tính đơn giản và khả năng mở rộng. Được chế tạo từ polymer và hạt nano phổ biến bằng phương pháp gia công tiêu chuẩn, nó có thể ứng dụng trong thiết bị thu nước thụ động cho vùng khô hạn, bề mặt làm mát linh kiện điện tử hoặc lớp phủ thông minh phản ứng với độ ẩm môi trường.
'Chúng tôi đang học hỏi từ tự nhiên - cách tế bào và protein quản lý nước trong môi trường phức tạp - để thiết kế vật liệu tốt hơn', GS Patel chia sẻ về hướng phát triển tiếp theo. Nhóm nghiên cứu sẽ tập trung tối ưu tỷ lệ thành phần ưa/kỵ nước, mở rộng quy mô sản xuất và cải thiện hiệu suất thu gom nước.
Khám phá này minh chứng cho thế mạnh liên ngành của ĐH Pennsylvania, kết hợp kỹ thuật hóa học, khoa học vật liệu, hóa học và sinh học để giải quyết vấn đề toàn cầu. Trong tương lai, công nghệ này có thể mang lại nguồn nước sạch cho vùng khí hậu khô cằn hoặc phương pháp làm mát bền vững chỉ bằng hơi ẩm không khí.
Nghiên cứu đầy đủ được công bố trên Science Advances với tiêu đề 'Amphiphilic nanopores that condense undersaturated water vapor and exude water droplets' (DOI: 10.1126/sciadv.adu8349), cung cấp bởi Đại học Pennsylvania.
