Выделение воды из вещества с наноразмерными каналами

На микрофотографиях изначально красного монокристалла видно, как он становится желтым при дегидратации при -20°С. Авторы и права: Алан Иби, впервые опубликовано в журнале Nature, Vol. 616, 13 апреля 2022 г., Springer Nature.

Было обнаружено, что кристаллическое вещество с наноразмерными каналами выделяет воду при температурах до -70°C, потенциально революционизируя материалы, предназначенные для извлечения атмосферной воды, и значительно снижая затраты энергии, связанные с этим процессом.

Ученые из Стелленбосского университета обнаружили, что кристаллическое вещество может выделять воду при температурах до -70°C, когда оно подвергается наноразмерному ограничению, как сообщается в журнале Nature.

Выводы могут иметь серьезные последствия для материалов, предназначенных для извлечения воды из атмосферы. Исследовательская группа под руководством профессора Лена Барбура обнаружила, что узкие каналы внутри кристаллической структуры, шириной всего один нанометр, позволяют воде оставаться подвижной при отрицательных температурах, поглощая и выделяя воду намного ниже ее нормальной точки замерзания. Это открытие открывает новую область исследований и потенциальных применений, включая возможность резкого снижения энергетических затрат на сбор атмосферной воды.

Свойства воды при наноразмерном ограничении

Ученые открыли еще один удивительный аспект странного и удивительного поведения воды — на этот раз, когда она подвергается наноразмерному ограничению при минусовых температурах.

Открытие, что кристаллическое вещество может легко отдавать воду при температуре до -70 °C (-94 °F), опубликованное 12 апреля в журнале Nature, имеет большое значение для разработки материалов, предназначенных для извлечения воды из атмосфера.

Группа супрамолекулярных химиков из Стелленбошского университета (SU), состоящая из доктора Алана Иби, профессора Катарины Эстерхюйзен и профессора Лена Барбура, сделала это открытие, пытаясь понять своеобразное поведение кристалла, который впервые вызвал их интерес около десяти лет назад.

• «В настоящее время ученые разрабатывают материалы, способные поглощать воду, — объясняет профессор Барбур. Однако гораздо сложнее получить эти материалы (мы называем их «гидратами»), чтобы затем высвободить воду без необходимости подачи энергии в виде тепла. Как мы все знаем, энергия стоит дорого и редко бывает полностью «зеленой».

Рассматриваемое химическое соединение было первоначально синтезировано профессором Марцином Квитом, специалистом по органической стереохимии из Университета Адама Мицкевича в Польше. Затем он был кристаллизован и доставлен в лабораторию профессора Барбура для дальнейшего изучения постдокторантом доктором Агнешкой Яняк. Это произошло в основном из-за интереса профессора Барбура к кольцеобразным молекулам и тому, как они образуют каналы, когда они упакованы вместе в кристаллы.

Доктор Джаниак заметил, что в одни дни кристаллы были желтыми, а в другие — красными. Ей не потребовалось много времени, чтобы понять, что кристаллы становятся красными только в дни с уровнем влажности выше 55%. Когда уровень влажности падает ниже этого уровня, кристаллы снова становятся желтыми.

• «Это поведение было не только довольно необычным, — объясняет профессор Барбур, — оно также происходило очень быстро. Похоже, что кристаллы поглощали воду так же быстро при высокой влажности, как и теряли ее при низкой влажности. Хотя мы знакомы с материалами, предназначенными для поглощения воды, очень необычно, чтобы материал, который легко впитывает воду, так же легко ее терял».

Почему эти кристаллы обладают такими особыми свойствами? Этот вопрос положил начало почти десятилетнему расследованию, которое первоначально было сосредоточено на объяснении механизма изменения цвета. Теоретическое моделирование, проведенное профессором Эстерхейзеном и студентом магистратуры Дирки Майбург, показало, что поглощение воды вызывает небольшие изменения электронных свойств кристаллов, в результате чего они становятся красными. Профессор Барбур был убежден, что при таких замечательных свойствах кристаллы будут обладать и другими интересными свойствами.

Именно тогда аспирант Алан Иби начал заниматься материалом. Первоначально он сосредоточился на исследованиях при комнатной температуре для получения степени магистра, но позже обратил свое внимание на измерение свойств при более низких температурах, когда три года назад приступил к защите докторской диссертации.

Он хотел знать, как поведут себя кристаллы при воздействии различных температур и уровней влажности:

• «Я был заинтригован изменением цвета и хотел исследовать, что происходит в атомном масштабе», — объясняет он.

Узнав о разработке инструментов и методов от профессора Барбура, он приступил к использованию нестандартных методов, чтобы понять механизмы поглощения и выделения воды в материале.

Однажды он заметил нечто странное, происходящее при температуре ниже нуля градусов по Цельсию.

• «Я заметил, что кристалл все еще менял цвет при минусовой температуре. Сначала я подумал, что что-то не так с экспериментальной установкой или регулятором температуры, ведь кристаллогидраты не должны выделять воду при таких низких температурах», — объясняет он.

После множества бесед и перерывов на кофе с профессорами Барбуром и Эстерхейзеном, а также после нескольких корректировок экспериментальной установки они поняли, что наблюдения Алана можно объяснить узостью каналов в материале. Каналы в кристалле имеют ширину всего один нанометр — одну тысячную диаметра человеческого волоса.

Подвижность воды на наноуровне

Уже было известно, что на наноуровне вода может оставаться подвижной внутри каналов при температуре ниже 0 °C. Однако это исследование впервые показало, что такие каналы также могут обеспечивать поглощение и выпуск воды при температурах намного ниже ее нормальной точки замерзания.

Чтобы понять этот процесс, д-р Иби провел обширную систематическую серию рентгеноструктурных исследований красных и желтых кристаллов при различных температурах и влажности. Это позволило ему создать компьютерный «фильм» с разрешением атомного масштаба о том, что происходит с каналами при охлаждении или нагревании, а также в присутствии или отсутствии воды. Эти анимации показали, что молекулы воды в наноканалах свободно перемещаются до тех пор, пока не остынут до -70 °C, после чего они подвергаются «обратимому структурированию», напоминающему стеклообразное состояние. Этот «стеклянный переход» в конечном итоге приводит к тому, что вода задерживается в материале при температуре ниже -70 ° C.

Если бы не изменение цвета кристаллов, в первую очередь, они бы не узнали о способности водоотдачи при сверхнизких температурах: «Кто знает», — говорит профессор Барбур, — может быть много других материалов со способностью поглощать и выделять воду при очень низких температурах, например металлоорганические каркасы и ковалентные органические каркасы.

• «Мы просто не знаем об этом, потому что не смогли визуализировать это. Теперь, когда мы знаем, что такое поведение возможно, оно открывает совершенно новую область исследований и потенциальных приложений. Исследователи могут использовать эту новую информацию для выявления других материалов с аналогичными свойствами, а также использовать разработанные нами принципы для тонкой настройки выделения воды при низких температурах. Это может привести к резкому сокращению энергетических затрат на сбор атмосферных вод с последствиями для общества и окружающей среды» заключает он.

Источник

Метки: вода