Nanomaterial leve como uma pena extrai água potável do ar

Uma colaboração científica internacional desenvolveu um novo nanomaterial que permite extrair eficazmente água potável do vapor de água existente no ar. O nanomaterial pode reter mais de três vezes o seu peso em água e consegue fazê-lo muito mais rapidamente do que as tecnologias comerciais existentes, caraterísticas que lhe conferem potencial para aplicações diretas de produção de água potável a partir do ar.

Um relatório das Nações Unidas estima que 2,2 mil milhões de pessoas não dispõem de água potável gerida de forma segura.

Na Terra, há cerca de 13 milhões de gigalitros de água em suspensão na atmosfera (o porto de Sydney tem 500 gigalitros). Apesar de ser apenas uma fração do total de água existente na Terra, representa uma fonte substancial de água doce.

“A nossa tecnologia terá aplicação em qualquer região onde exista humidade suficiente mas acesso limitado ou disponibilidade de água potável limpa”, afirma o Professor Associado da UNSW Rakesh Joshi

O Professor Novoselov, que trabalha na Universidade Nacional de Singapura, afirma que “este é um excelente exemplo de como a colaboração interdisciplinar e global pode conduzir a soluções práticas para um dos problemas mais prementes do mundo – o acesso a água potável”.

A investigação foi publicada na revista Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).

Encontrar a magia nas ligações

O novo nanomaterial baseia-se na forma bem estudada do óxido de grafeno, que é uma rede de carbono com um único átomo de espessura funcionalizada com grupos que contêm oxigénio. O óxido de grafeno tem boas propriedades de adsorção de água, que são propriedades que permitem à água ligar-se à superfície de um material.

O cálcio também tem boas propriedades de adsorção de água. A equipa de investigação decidiu ver o que acontecia se intercalasse iões de cálcio (Ca2+) no óxido de grafeno.

O que aconteceu foi inesperado.

Uma caraterística importante dos materiais que adsorvem eficazmente a água é a existência de fortes ligações de hidrogénio entre a água e o material em que esta se adsorve, algo que o óxido de grafeno e o cálcio possuem. Quanto mais forte for a ligação de hidrogénio, mais um material pode adsorver água.

Mas acontece alguma magia quando se intercala o cálcio com o oxigénio do óxido de grafeno.

No óxido de grafeno intercalado com cálcio, é a sinergia entre o cálcio e o oxigénio que facilita a extraordinária adsorção de água.

O que a equipa de investigação descobriu é que a forma como o cálcio se coordena com o oxigénio no grafeno altera a força das ligações de hidrogénio entre a água e o cálcio, tornando essas ligações ainda mais fortes.

“Medimos a quantidade de água adsorvida no óxido de grafeno por si só e obtivemos X. Medimos a quantidade de água adsorvida no próprio cálcio e obtivemos Y. Quando medimos a quantidade de água adsorvida no óxido de grafeno intercalado com cálcio obtivemos muito mais do que X+Y. Ou seja, 1+1 é igual a um número maior do que 2”, diz Xiaojun (Carlos) Ren, da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da UNSW e primeiro autor do artigo.

“Esta ligação de hidrogénio mais forte do que o esperado é uma das razões para a extrema capacidade do material para adsorver água”, acrescenta.

Também é leve como uma pena

A equipa fez mais um ajuste no design para melhorar a capacidade de adsorção de água do material – fabricou o óxido de grafeno intercalado com cálcio sob a forma de um aerogel, um dos materiais sólidos mais leves que se conhecem.

Os aerogéis estão repletos de poros de dimensão micro a nanométrica, o que lhes confere uma enorme área de superfície, o que ajuda esta forma de aerogel a adsorver água muito mais rapidamente do que o óxido de grafeno normal.

O aerogel também confere ao material propriedades de esponja que facilitam o processo de dessorção, ou seja, a libertação da água da membrana.

“A única energia que este sistema requer é a pequena quantidade necessária para aquecer o sistema a cerca de 50 graus para libertar a água do aerogel”, afirma a Professora Daria Andreeva, coautora do artigo.

O poder do supercomputador

A investigação baseia-se em trabalho experimental e teórico que contou com o supercomputador da Infraestrutura Computacional Nacional Australiana (NCI) em Camberra.

O Professor Amir Karton, da Universidade de New England, liderou o trabalho computacional para fornecer a compreensão crucial do mecanismo subjacente.

“As simulações modelizadas feitas no supercomputador explicaram as complexas interações sinérgicas a nível molecular, e estes conhecimentos ajudam agora a conceber sistemas ainda melhores para a produção de água atmosférica, oferecendo uma solução sustentável para o desafio crescente da disponibilidade de água doce na Austrália regional e em regiões com stress hídrico em todo o mundo”, afirma o Professor.

O poder da ciência sem fronteiras

Esta é ainda uma descoberta de investigação fundamental que precisa de ser mais desenvolvida. A indústria colaborou neste projeto para ajudar a aumentar a escala desta tecnologia e desenvolver um protótipo para teste.

“O que fizemos foi descobrir a ciência fundamental por detrás do processo de adsorção de humidade e o papel das ligações de hidrogénio. Este conhecimento ajudará a fornecer água potável a uma grande parte dos 2,2 mil milhões de pessoas que não têm acesso a ela, demonstrando o impacto social da investigação em colaboração do nosso Centro”, afirma o Diretor do COE-CSI e um dos co-autores do artigo.

A investigação é uma colaboração global entre grupos de investigação da Austrália, China, Japão, Singapura e Índia.