Phát triển vật liệu mới có thể thụ động thu nước từ không khí
(blog.seas.upenn.edu)- Nhóm nghiên cứu tại Đại học Pennsylvania đã phát hiện một loại vật liệu thế hệ mới có thể thụ động thu nước từ không khí mà không cần năng lượng bên ngoài
- Vật liệu này có cấu trúc kết hợp độc đáo giữa các lỗ nano ưa nước và polymer kỵ nước, cho phép giữ độ ẩm trong không khí bên trong các lỗ và giải phóng ra bề mặt
- Vật liệu tận dụng hiệu quả hiện tượng ngưng tụ mao dẫn, nên có thể hoạt động cả trong điều kiện độ ẩm thấp; điểm đặc biệt là nước không lưu lại trong lỗ như các vật liệu trước đây mà được đưa lên tận bề mặt
- Phương pháp chế tạo tương đối đơn giản và có thể áp dụng vào quy trình mở rộng thương mại, nên có tiềm năng cao trong các thiết bị thu nước ở vùng khô hạn hoặc làm mát thiết bị điện tử
- Trong thời gian tới, nghiên cứu sẽ tiếp tục tối ưu hóa tỷ lệ giữa tính ưa nước và kỵ nước cũng như mở rộng quy mô cho ứng dụng thực tế
Phát hiện vật liệu cấu trúc nano theo một cách hoàn toàn mới
Các nhà nghiên cứu kỹ thuật hóa học tại Đại học Pennsylvania đã tình cờ phát hiện trong quá trình thí nghiệm một vật liệu cấu trúc nano thế hệ mới có thể thu hơi nước trong không khí và giải phóng thành các giọt nước trên bề mặt mà không cần năng lượng bên ngoài
Nghiên cứu này được thực hiện với sự hợp tác của các chuyên gia từ nhiều lĩnh vực, và vật liệu này được kỳ vọng sẽ mở ra những hướng ứng dụng mới như thu nước ở vùng khô hạn hoặc làm mát thiết bị điện tử
Làm rõ nguyên lý thông qua quá trình phát hiện
- Ở giai đoạn đầu, nhóm nghiên cứu cho rằng hiện tượng giọt nước hình thành trên bề mặt là do các yếu tố bên ngoài như chênh lệch nhiệt độ của thiết bị thí nghiệm, nhưng sau đó xác nhận rằng khi tăng độ dày của vật liệu thì lượng nước hình thành trên bề mặt cũng tăng theo
- Từ đó, họ làm rõ được đặc tính khác với vật liệu lỗ nano truyền thống: nước ngưng tụ bên trong màng có thể di chuyển lên bề mặt và xuất hiện dưới dạng giọt nước
Cách các lỗ nano hoạt động
- Các phương pháp thu nước truyền thống thường đòi hỏi nhiệt độ thấp hoặc độ ẩm cao, hoặc cần cấp năng lượng từ bên ngoài để làm mát bề mặt
- Tuy nhiên, vật liệu mới này cho phép hơi nước ngưng tụ bên trong các lỗ nano ngay cả ở độ ẩm thấp nhờ ngưng tụ mao dẫn
- Hơn nữa, độ ẩm sau khi ngưng tụ không bị giữ lại trong lỗ mà di chuyển ra bề mặt và được giải phóng thành giọt nước
- Đây cũng là hiện tượng vượt ngoài các lý thuyết hiện có, khi tốc độ bay hơi của các giọt nước cực thấp so với độ cong và kích thước của chúng, giúp chúng có thể ổn định trên bề mặt trong thời gian dài
Kiểm chứng nguyên lý cơ bản và đặc tính riêng
- Bằng cách xác nhận mối tương quan giữa độ dày của màng và lượng giọt nước trên bề mặt, nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng hiện tượng quan sát được không phải là ngưng tụ trên bề mặt mà liên quan đến lượng nước được lưu trữ bên trong lỗ
- Các nhóm nghiên cứu hợp tác bên ngoài cũng đã tái hiện được hiện tượng này và đặc biệt chú ý đến tiềm năng của loại vật liệu cấu trúc nano đặc biệt này
Sự kết hợp vật liệu cân bằng và triển vọng ứng dụng
- Việc thiết lập tỷ lệ pha trộn chính xác giữa các hạt nano ưa nước và polyethylene kỵ nước đóng vai trò cực kỳ quan trọng
- Kho chứa ẩn bên trong lỗ và các giọt nước trên bề mặt được kết nối với nhau, tạo thành cơ chế thu ẩm liên tục từ không khí (vòng phản hồi tái sinh)
- Vật liệu này dễ sản xuất hàng loạt vì sử dụng các polymer và hạt nano thông dụng
- Có nhiều khả năng ứng dụng công nghiệp, như thu nước trực tiếp ở vùng khô hạn, bề mặt làm mát cho thiết bị điện tử và tòa nhà, hoặc vật liệu phủ phản ứng theo độ ẩm
Hướng nghiên cứu tiếp theo và hiệu quả kỳ vọng
- Hiện vẫn còn các bài toán nghiên cứu bổ sung như làm rõ chi tiết cơ chế hoạt động, tối ưu tỷ lệ ưa nước/kỵ nước, áp dụng thực tế ở quy mô lớn, hay tách các giọt nước đã thu được khỏi bề mặt
- Nhóm nghiên cứu đang tham khảo các cơ chế quản lý nước hiệu quả trong hệ sinh học để phản ánh vào thiết kế vật liệu
- Về lâu dài, công nghệ này được kỳ vọng sẽ dẫn tới nguồn cung nước sạch cho các vùng khô hạn hoặc công nghệ làm mát thân thiện môi trường vận hành chỉ bằng sự bay hơi của nước
Hỗ trợ nghiên cứu
- Nghiên cứu này được thực hiện với sự hỗ trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ (NSF), Bộ Năng lượng Mỹ và Quỹ nghiên cứu Alfred P. Sloan cùng nhiều tổ chức khác
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Vật liệu nano cấu trúc mới này được cho là có thể hút nước từ không khí, gom lại và thải ra bề mặt mà không cần năng lượng bên ngoài, nên tôi thấy nó giống một kiểu túi hút ẩm công nghệ cao. Những túi chứa calcium chloride như Wisesorb Moisture Eliminator có thể hấp thụ ẩm từ không khí chưa bão hòa và tạo thành giọt nước, nhưng sau khi dùng thì phải mua cái mới hoặc đun lên để hoàn nguyên. Với vật liệu mới này, các giọt nước bám vào vật liệu và vẫn cần năng lượng để loại bỏ. Nó không phải kiểu nước tự nhiên nhỏ xuống đáy thùng như phép màu. Có thể lau các giọt nước bằng khăn giấy, nhưng muốn lấy nước lại từ khăn thì vẫn cần năng lượng. Và cách diễn đạt kiểu "thách thức các định luật vật lý" là không đúng; tôi nghĩ đội PR của trường đại học và các nhà báo công nghệ nên học cách kiểm tra hai ba lớp với tác giả và chuyên gia độc lập mỗi khi họ nghĩ các định luật vật lý đã bị phá vỡ. Cả câu chữ dễ gây hiểu lầm lẫn tiêu đề đều xuất phát từ thông cáo của trường
Đây vẫn là nghiên cứu đang tiếp diễn, và vật liệu này cho thấy một hướng đi hơi khác so với các túi hút ẩm dùng một lần như Thirsty Hippos. Đúng là (1) nó không vi phạm các định luật vật lý và (2) vẫn cần năng lượng để lấy giọt nước ra. Nhưng nếu các giọt nước có thể di chuyển ra bề mặt, thì năng lượng cần để giải phóng chúng có thể thấp hơn nhiều so với các phương pháp hút ẩm chủ động hiện nay như phần tử Peltier. Nhân tiện, Thirsty Hippo là một dạng silica gel siêu hiệu quả cho không gian nhỏ
Cảm ơn vì lời giải thích. Lúc đầu chỉ đọc tiêu đề bài báo, tôi còn tưởng ai đó vừa tìm ra động cơ vĩnh cửu
Khi chỗ xuất bản tôi từng tham gia nhận tài liệu PR từ các trường đại học, chúng tôi liên hệ trực tiếp với họ
Vi phạm các định luật vật lý là điều tuyệt đối không thể. Nếu có vẻ như định luật sai, thì nghĩa là chúng ta đang hiểu sai. Tương tự, "đi ngược" định luật cũng là bất khả thi; vũ trụ chỉ cho phép những gì nó cho phép
Trong bài báo gốc: "Tất cả các phép đo được duy trì ở 20°±0.2°C bằng hệ thống tuần hoàn không khí, và nhiệt độ màng được điều khiển bằng bộ gia nhiệt/làm lạnh khi cần." Nói cách khác, nhiệt ẩn được chuyển tới thiết bị làm lạnh, và việc không nêu rõ điều này tạo cảm giác như họ muốn làm cho kết quả kịch tính hơn
Một đoạn đáng chú ý khác trong bài báo: "Các giọt nước vĩ mô được tạo ra đẳng nhiệt khi kích thước NP dưới 22nm, độ ẩm tương đối khoảng trên 90%, và ϕPE ở mức 0.05~0.35" "Những giọt ban đầu nhìn thấy được bằng kính hiển vi quang học (kích thước khoảng 1μm) xuất hiện trong vòng vài giây sau khi phơi ở độ ẩm tương đối 97%" Không khí ở đây thực sự ẩm đến mức gần như sắp đọng sương. Mọi người đang quá tập trung vào chuyện "vi phạm vật lý", trong khi thực tế đây là một cải tiến tăng dần trên một hiện tượng tự nhiên
Giữ nhiệt độ ổn định bằng thermostat thì không có vấn đề gì. Nếu họ giữ bề mặt lạnh hơn không khí xung quanh, dưới điểm sương, thì điều đó sẽ giải thích được, nhưng đọc bài báo thì có vẻ không phải vậy. Về bản chất, họ đang tuyên bố rằng các giọt nước vĩ mô tự hình thành từ hơi nước chưa bão hòa, và điều đó không được phép theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học
Nghe giải thích xong thì tôi hiểu rồi. Giá mà họ tập trung vào việc thực sự cải thiện cái gì, thay vì nói như thể đang vi phạm vật lý. Theo tôi, vật liệu này có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, và nếu nhiệt độ môi trường thấp thì nhiệt ẩn có thể được thải ra một cách thụ động. Kể cả dùng bơm nhiệt chủ động thì đây vẫn có thể là một quy trình hiệu quả hơn ở nhiệt độ cao. Trong một hệ kín thì sớm muộn cũng cân bằng, nhưng đâu nhất thiết phải là hệ kín hoàn toàn
Nghiên cứu này nổi bật ở chỗ, khác với công nghệ hấp phụ hiện có, nó có thể tiếp tục kéo nước từ không khí mà không cần thay đổi cơ chế. Có lẽ nếu phủ vật liệu này lên nhôm để truyền nhiệt ẩn đi, ta có thể hình dung một hệ thống liên tục tạo nước mà không cần năng lượng bổ sung. Chỉ cần đặt một khối các "cánh tản nhiệt" làm từ vật liệu này ở chỗ râm mát và để một xô hứng bên dưới. Nếu có thiết bị như vậy được chế tạo thật, sẽ rất thú vị khi đo thực tế nó tạo được bao nhiêu lít mỗi ngày trong những điều kiện nào. Đặc biệt trong các tình huống nguy hiểm liên quan đến nhiệt độ bầu ướt, một thiết bị thụ động hút ẩm khỏi không khí mà không cần năng lượng có thể dùng để cứu người
Thực ra việc nhiệt ẩn truyền sang thiết bị làm lạnh có thể đã bị giấu đi để tăng tính kịch tính, nhưng nếu trong quá trình đó vật liệu trở nên nóng hơn không khí xung quanh thì lại là điều bất thường. Thông thường muốn rút ẩm ra thì phải hạ nhiệt độ xuống thấp hơn. Dù không lý tưởng để đo lượng nước tối đa có thể trích xuất, việc làm mát về mức nhiệt độ môi trường vẫn là bài toán dễ hơn nhiều
Trừ khi đâu đó trong bài báo có một lưu ý cực kỳ quan trọng bị giấu đi, điều họ tuyên bố có vẻ không phù hợp với định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Họ nói rằng các giọt nước hình thành trên bề mặt vật liệu nano trong trạng thái <i>đẳng nhiệt</i> và ở <i>độ ẩm tương đối dưới 100%</i>. Điều này là bất khả thi về mặt nhiệt động lực học. Trong các điều kiện như vậy, ngưng tụ chỉ có thể xảy ra bên trong các bề mặt lõm (lỗ rỗng), còn việc hình thành giọt lồi trên bề mặt phẳng là không thể. Cách giải thích trong bài về việc "thành phần ưa nước có thể ép nước ra ngoài" là vô lý. Để nước tụ trong các lỗ rỗng lõm rồi chuyển sang giọt lồi, áp suất nước phải đồng thời vừa dương vừa âm, điều đó là không thể. Theo tôi chỉ có một trong ba khả năng: 1) bề mặt bị nhiễm bẩn 2) đo sai độ ẩm tương đối 3) có một tấm làm lạnh lạnh hơn môi trường nhưng không được nhắc đến. Liên kết bài báo
Bài đăng lại từ 4 ngày trước: liên kết bình luận HN và họ đã quảng bá theo kiểu rất cường điệu như thể đang vi phạm nhiệt động lực học. Thực tế không phải vậy, và các máy hút ẩm hiện nay vốn đã hút được khá nhiều nước với mức hiệu quả hiện có, nên hẳn phải có một ưu điểm nào khác. Nhưng chưa thấy rõ đó là gì
Tôi không đồng ý với ý "máy hút ẩm đã đủ sức rút nước từ không khí sau khi trả giá năng lượng rồi". Thực tế máy hút ẩm ngưng tụ tốn điện gần như máy lạnh, còn tỏa ra lượng nhiệt không mong muốn và khá ồn. Máy hút ẩm desiccant thì còn kém hiệu quả hơn. Nếu có cách nào rút ẩm với ít năng lượng hơn và yên tĩnh hơn, thì đó sẽ là thay đổi cực lớn
Thực ra nó không có vẻ sẽ vi phạm nhiệt động lực học. Nhưng điều đó không có nghĩa về mặt lý thuyết phải như vậy để ngưng tụ hơi nước trong khí quyển. Theo bài báo, "[khi PINF nano xốp ưa hydro được đặt trong môi trường có độ ẩm dưới 100%, các giọt nước vĩ mô tự phát hình thành trên bề mặt mà không cần làm lạnh]" liên kết bài báo
Ý tưởng ở đây là có thể lấy nước ra mà không cần làm lạnh không khí. Trước tiên vật liệu nhận ẩm và hơi nóng lên một chút, rồi nhiệt đó lại được bức xạ thụ động ra ngoài. Nếu toàn bộ là hệ kín thì cuối cùng sẽ đạt cân bằng, nhưng điểm khác biệt là nó không nhất thiết phải là hệ kín
Câu trả lời cho câu hỏi "chẳng phải phải có thứ gì hấp dẫn hơn sao": hãy nghĩ tới Windtraps, tức bẫy gió trong Dune
Có bình luận trùng ý tương tự, nên dự định gộp các bình luận lại để tham khảo
Nếu công nghệ này thực sự đi vào thực tế thì tôi nghĩ ứng dụng sẽ rất nhiều. Có thể dựng một cái bên cạnh mỗi cây hoặc mỗi hàng nông sản. Dùng trong nhà cùng với A/C thì việc làm mát và kiểm soát độ ẩm có thể dễ hơn. Cũng có thể thu nước ở vùng núi hoặc trên các tòa nhà cao tầng để phát thủy điện quy mô nhỏ. Thậm chí dùng để bù nước cho hồ bơi
Tôi tự hỏi liệu có thể dùng nó để tạo ra một phương pháp khử mặn tốt không. Ví dụ cho nước biển bay hơi vào không khí trong một hệ kín cho đến khi hơi nước bão hòa, rồi dùng vật liệu này để thu nước
Thật đáng tiếc khi họ đã dùng cụm từ "vi phạm các định luật vật lý". Nghiên cứu này là một phát hiện quan trọng cho các hệ thống ngưng tụ nước, còn việc cường điệu như thể không cần năng lượng bên ngoài là vô trách nhiệm. Theo tôi, có vẻ họ đã tạo ra thứ gì đó giống brownian ratchet. Người ta luôn nói không cần năng lượng bên ngoài, nhưng nhìn kỹ thì cuối cùng vẫn có chênh lệch nhiệt độ, và để duy trì chênh lệch đó vẫn cần năng lượng từ bên ngoài. Có thể vật liệu lạnh hơn không khí, hoặc lượng ẩm đi vào ấm hơn môi trường xung quanh. Cũng có thể bên trong vật liệu có gradient nhiệt độ, hoặc đèn trong phòng thí nghiệm chỉ làm nóng một mặt. Thực tế nhiều thiết bị thụ động phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm, mà rốt cuộc năng lượng đó đến từ Mặt Trời. Bài báo nói họ đã tăng độ dày vật liệu để loại bỏ gradient nhiệt độ, nhưng tôi không thấy lý do đó thuyết phục. Nếu không ai cố tình đưa năng lượng vào thì vật liệu này hẳn rất hiệu quả (miễn là họ không dùng mẫu đông lạnh), nhưng dù vậy thật đáng buồn khi chúng ta phải tuyên bố đó là máy vĩnh cửu để thu hút sự chú ý của công chúng
Tôi cũng hiểu rằng đôi khi các trường đại học cần tạo tiếng vang, nhưng những từ như "Passively Harvest" và "Defies Physics" phải được dùng cực kỳ cẩn trọng trong ngữ cảnh khoa học. Đây là bài blog nên tôi không kỳ vọng mức độ chặt chẽ như phản biện đồng cấp, nhưng cuối cùng cách dùng từ như vậy lại gây hại cho khoa học. Tin rằng có một vật liệu ma thuật nào đó có thể phá vỡ định luật thứ hai của nhiệt động lực học thì gần với giả kim hơn là hóa học
PET là một chất cách nhiệt khá ổn, và có vẻ các nhà thí nghiệm đã cố kiểm tra xem chênh lệch nhiệt độ có phải nguyên nhân gây ngưng tụ hay không. Có lẽ nếu họ kiểm soát cả nhiệt độ lẫn độ ẩm thì điều đó có thể đồng nghĩa bản thân vật liệu nóng hơn, nhưng ngay cả trong trường hợp đó cũng có thể giải quyết bằng làm mát thụ động với bộ tản nhiệt. Hiện tượng mà bài báo mô tả, nếu thật sự tái hiện được, có thể là một đột phá khá lớn và nghe cũng đủ thuyết phục
Nếu loại bỏ nước khỏi khí quyển ở quy mô lớn, điều đó có thể gây tác động thảm khốc lên các mô hình khí hậu của Trái Đất. Nếu một quốc gia hút quá nhiều nước, có thể quốc gia khác sẽ không còn mưa
Bản thân công nghệ này khá thú vị. Nhìn rộng ra, nó như biến phần chênh lệch nhiệt động của chu trình ngưng tụ-bay hơi từ quy mô khí hậu lớn sang đặc tính vật liệu. Nếu có thể tự do điều chỉnh kích thước lỗ rỗng, thì có thể kiểm soát cân bằng dòng nước vào/ra của bể chứa bất cứ lúc nào. Ví dụ có thể áp dụng vào quần áo thông minh: khi nóng thì mở lỗ rỗng để xả nhiều nước hơn, khi lạnh thì thu nhỏ lỗ rỗng để ngăn bay hơi. Chỉ mong bài báo bỏ đi cách nói “vi phạm vật lý”
Điều mọi người nên biết là theo các định luật vật lý, mức năng lượng tối thiểu để tách nước khỏi không khí lớn hơn rất nhiều so với mức tối thiểu để tách nước khỏi nước muối. Vì thế khử mặn luôn hiệu quả hơn thu nước từ không khí