Mover eficientemente el agua hacia arriba contra la gravedad es una gran hazaña de la ingeniería humana, pero una que los árboles han dominado durante cientos de millones de años. Las plantas contienen muchos pequeños vasos de xilema que extraen agua del suelo a través de sus ramas y hojas. Una vez que el agua llega a las hojas, la radiación solar hace que el agua se evapore a través de pequeños poros en las hojas. En un nuevo estudio que investigadores de la Universidad de Zhejiang de China publicaron en la revista ACS Nano (Efficient Water Transport and Solar Steam Generation via Radially, Hierarchically Structured Aerogels), explican cómo han diseñado un sistema de transporte de agua inspirado en árboles que utiliza fuerzas capilares para impulsar el agua sucia hacia arriba a través de un aerogel estructurado jerárquicamente, donde la energía solar puede convertirlo en vapor para producir agua fresca y limpia.
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| Crédito: Xu y col.© 2019 American Chemical Society |
Los aerogeles se han convertido en uno de los materiales más interesantes del siglo XXI. La estrategia de procesamiento única produce materiales con porosidades extremadamente altas y densidades bajas, áreas de superficie específicas altas, resistencias dieléctricas altas y conductividades térmicas bajas. Estas propiedades han hecho de los erogeles nuevos e intrigantes materiales para aplicaciones aeroespaciales, generación y almacenamiento de energía, dispositivos biomédicos e implantes y sensores. Recientemente, los aerogeles han entrado en el campo de la nano, incorporando una variedad de nanomateriales en la matriz del aerogel y utilizando dichos materiales para crear aerogeles compuestos mejorado aún más sus propiedades funcionales. Con el avance de la nanotecnología el desarrollo de estructuras de aerogel de alto rendimiento ha crecido de manera exponencial. Por ejemplo, los nanomateriales de carbono como los nanotubos de carbono, el grafeno y las nanofibras de carbono se han incorporado a los aerogeles para mejorar la conductividad eléctrica y el rendimiento de aplicaciones como supercondensadores, sensores y baterías. La preparación de los aerogeles implica típicamente tres pasos distintos. Una vez que los materiales deseados se seleccionan para la fabricación del aerogel, los materiales precursores se dispersan en un líquido (es decir, dispersión coloidal) y se dejan gelificar, formando así una red continua de partículas sólidas en todo el líquido constituyendo la primera etapa: la transición sol-gel (gelificación), la segunda es la perfección de la red (envejecimiento) y la tercera transición gel-aerogel (secado). El nuevo sistema presentado en el citado artículo consta de dos componentes principales: un aerogel largo, poroso y ultraligero para transportar agua, y una capa de nanotubos de carbono en su parte superior para absorber la luz solar y convertir el agua en vapor. El sistema está encerrado en un recipiente de vidrio. El agua viaja hacia arriba a través de los poros en el aerogel debido a las fuerzas capilares causadas por la adhesión entre las moléculas de agua y la superficie interna de los poros. Una vez que el agua llega a la cima, la capa de nanotubos de carbono calentada por el sol trasforma el agua en vapor, dejando atrás cualquier contaminante. El sistema también funciona igual de bien con agua limpia, agua de mar, aguas residuales y aguas subterráneas arenosas. Además, el colector de calor de carbono logra una alta eficiencia de conversión de energía de hasta el 85%. El secreto del buen rendimiento reside en el logro de un aerogel con una estructura jerárquica con canales alineados radialmente, poros de tamaño pequeño, superficies internas arrugadas y mallas moleculares.
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