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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