En slumpmässig observation i ett kemitekniskt laboratorium vid Penn Engineering har lett till en överraskande upptäckt: en ny klass av nanostrukturerade material som kan dra vatten från luften, samla det i porer och släppa ut det på ytor utan behov av extern energi.
Forskningen, som publicerats i Science Advances, beskriver ett material som kan öppna dörren till nya sätt att samla vatten från luften i torra regioner och till apparater som kyler elektronik eller byggnader med hjälp av avdunstning.
Det tvärvetenskapliga teamet består av Daeyeon Lee, Russell Pearce och Elizabeth Crimian Heuer, professor i kemisk och biomolekylär teknik (CBE); Amish Patel, professor i CBE; Baekmin Kim, postdoktor i Lees laboratorium och försteförfattare; samt Stefan Guldin, professor i komplex mjuk materia vid Tekniska universitetet i München.
”Vi försökte inte ens samla vatten”, säger Lee. ”Vi arbetade med ett annat projekt där vi testade kombinationen av hydrofila nanoporer och hydrofoba polymerer när Bharath Venkatesh, en före detta doktorand i vårt laboratorium, märkte att vattendroppar uppstod på ett material vi testade. Det var obegripligt. Det var då vi började ställa frågor.”
Dessa frågor ledde till en fördjupad studie av en ny typ av amfifilt nanoporöst material: ett material som blandar vattenälskande (hydrofila) och vattenavvisande (hydrofoba) komponenter i en unik nanostruktur. Resultatet är ett material som både fångar upp fukt från luften och samtidigt driver ut fukten i form av droppar.
Vattenuppsamlande nanoporer
När vatten kondenserar på ytor krävs vanligtvis antingen en temperaturminskning eller mycket hög luftfuktighet. Konventionella metoder för vattenuppsamling bygger på dessa principer och kräver ofta energi för att kyla ytor eller att en tät dimma bildas för att passivt samla upp vatten från fuktiga miljöer. Men Lee och Patels system fungerar på ett annat sätt.
Istället för kylning bygger deras material på kapillär kondensation, en process där vattenånga kondenseras inuti små porer även vid lägre luftfuktighet. Detta är inte nytt. Det som är nytt är att vattnet i deras system inte bara stannar kvar inuti porerna, som det vanligtvis gör i denna typ av material.
”I typiska nanoporösa material stannar vattnet kvar i porerna när det väl kommit in”, förklarar Patel. ”Men i vårt material rör sig vattnet, först kondenserar det inuti porerna och sedan kommer det ut på ytan som droppar. Det har aldrig setts tidigare i ett system som detta, och först tvivlade vi på våra observationer.”
Ett material som trotsar fysiken
Innan de förstod vad som hände trodde forskarna först att vattnet helt enkelt kondenserade på materialets yta på grund av en artefakt i deras experimentuppställning, till exempel en temperaturgradient i laboratoriet. För att utesluta detta ökade de materialets tjocklek för att se om mängden vatten som samlades på ytan skulle förändras.
”Om det vi observerade berodde enbart på ytkondensation skulle materialets tjocklek inte påverka mängden vatten”, förklarar Lee.
Men den totala mängden vatten som samlades ökade när filmens tjocklek ökade, vilket bevisade att vattendropparna som bildades på ytan kom inifrån materialet.
Ännu mer överraskande var att dropparna inte avdunstade snabbt, som termodynamiken skulle förutsäga.
”Enligt dropparnas krökning och storlek borde de ha avdunstat”, säger Patel. ”Men det gjorde de inte; de förblev stabila under långa perioder.”
Med ett material som potentiellt kunde trotsa fysikens lagar i sina händer skickade Lee och Patel sin design till en samarbetspartner för att se om deras resultat kunde replikeras.
”Vi studerar porösa filmer under en rad olika förhållanden och använder subtila förändringar i ljuspolarisation för att undersöka komplexa fenomen i nanoskala”, säger Guldin. ”Men vi har aldrig sett något liknande. Det är helt fascinerande och kommer utan tvekan att leda till ny och spännande forskning.”
En stabiliserad cykel av kondensation och frigöring
Det visade sig att de hade skapat ett material med precis rätt balans mellan vattenbindande nanopartiklar och vattenavvisande plast – polyeten – för att skapa en nanopartikel film med denna speciella egenskap.
”Vi råkade träffa mitt i prick”, säger Lee. ”Dropparna är kopplade till dolda reservoarer i porerna under. Dessa reservoarer fylls kontinuerligt på från vattenånga i luften, vilket skapar en återkopplingsloop som möjliggörs av denna perfekta balans mellan vattenälskande och vattenavvisande material.”
En plattform för passiv vattenuppsamling och mer
Utöver det fysikbrytande beteendet är materialens enkelhet en del av det som gör dem så lovande. Dessa filmer, som är tillverkade av vanliga polymerer och nanopartiklar med hjälp av skalbara tillverkningsmetoder, kan integreras i passiva vattenuppsamlingsanordningar för torra regioner, ytor för kylning av elektronik eller smarta beläggningar som reagerar på luftfuktigheten.
”Vi håller fortfarande på att utforska mekanismerna”, säger Patel. ”Men potentialen är spännande. Vi lär oss av biologin – hur celler och proteiner hanterar vatten i komplexa miljöer – och tillämpar det för att designa bättre material.”
”Det här är precis vad Penn gör bäst, att sammanföra expertis inom kemiteknik, materialvetenskap, kemi och biologi för att lösa stora problem”, tillägger Lee.
Nästa steg är att studera hur man kan optimera balansen mellan hydrofila och hydrofoba komponenter, skala upp materialet för användning i verkligheten och undersöka hur man kan få de uppsamlade dropparna att rulla av ytorna på ett effektivt sätt.
I slutändan hoppas forskarna att denna upptäckt ska leda till tekniker som erbjuder rent vatten i torra klimat eller mer hållbara kylningsmetoder som endast använder den vattenånga som redan finns i luften.
Mer information: Baekmin Q. Kim et al, Amphiphilic nanopores that condense undersaturated water vapor and exude water droplets, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adu8349
