Pohár z nanotrubiček se sám plní vodou i na poušti  
Lešení z nanometrových trubek, vylepšené na jednom konci o hydrofilní a na opačném o superhydrofobní povlak, připomíná kartáč, kterým lze vychytávat molekuly vody i ze vzduchu v aridních oblastech.

 

Zvětšit obrázek
Vzor objevu - pouštní brouk Sběrač rosný (Onymacris unguicularis). Před východem slunce na písečné duně udělá stojku. Přesto, že je jeho tělo černé od melaninu, vyzařuje teplo více než okolní písek, ochladí se pod teplotu rosného bodu a na jeho krovkách začne kondenzovat vzdušná vlhkost. Foto: Didier Descouens, Wikipedia

Pulickel Ajayan je původem Ind a profesně metalurg. Stážoval u  NEC Corporation v Japonsku, Laboratoire de Physique des Solides, ve Francii,  Max-Planck-Institutu ve Štuttgartu, aby jako profesor zakotvil v Americe na Rice university.

Zvětšit obrázek
Z bločku o milionech uhlíkových nanotrubiček udělají hydrofilní a hydrofóbním polymery samo se plnící „pohár“. Kredit: Jeff Fitlow / Rice University

Spolu se svými kolegy se prý nechal inspirovat africkým broukem potemníkem Onymacris unguicularis. Ten je doma v poušti Namib. Většinu dne prospí zavrtán hluboko v písku, ale má jednu vlastnost hodnou následování. Sportuje už od raního kuropění. Má i české jméno - sběrač rosný.  Před východem slunce se vyškrábe na písečnou dunu, kde víc fouká. Protože jeho tělo vyzařuje více tepla, než okolní písek. Tím se ochladí pod teplotu rosného bodu a než ho paprsky zahřejí, vzdušná vlhkost na něm kondenzuje. Den vítá sportovně, staví stojku, kapičky mu při tom z krovek stékají po bocích rovnou do úst.          

                   

Zvětšit obrázek
Les uhlíkatých nanotrubiček dokáže vychytat molekuly vody ze vzduchu a zadrží je jako houba. Kredit: Ajayan Group / Rice University


Ajayanův kolektiv černé broučí krovky vylepšil. Udělal je velké a zvětšil jejich povrch uhlíkovými nano trubičkami. I když to podle nás spíš připomíná kartáč, nebo koště, nazvali to "hygroskopickým lešením". Článek s výkonnostními podrobnostmi jejich vychytávky na vzduch, se má objevit v novém čísle časopisu American Chemical Society, byl přijat do tisku. To podstatné na novém objevu ale není „les“ nanotrubiček. Fígl vysoké účinnosti spočívá v něčem jiném. V povrchové úpravě trubiček. Každá „štětina“ má totiž hydrofobní a hydrofilní část. Vodou milujícím make-upem je vylepšena vrchní část,  ta vychytá molekuly vody ze vzduchu. Vodu odpuzujícím (super hydrofobním) polymerem je vylepšená spodní polovina nanotrubiček. Ta je tam proto, aby  nachytaná voda spodem nevytékala a také se neodpařovala.
.

 

Zvětšit obrázek
Hygroskopický les uhlíkových nanotrubiček shromažďuje a ukládá molekuly vody i z vyprahlého vzduchu. Ve vlhkém prostředí voda vyplní až 80 procent objemu trubkovitého lešení (vlevo). V na vodní páry chudém vzduchu to je méně (uprostřed), ale i ze „zcela“ suchého vzduchu se dá voda tímto vynálezem získat (vpravo). Kredit: Ajayan Group / Rice University

Štětiny tohoto kartáče na vzduch mají průměr jen několik nanometrů (miliardtin metru), zato jsou dlouhé téměř centimetr. Proto se vědcům zpočátku dlouho nedařilo. Jejich „pohárek“ na vodu se bořil a rozpadal, jakmile se setkal s vlhkostí. Až varianta s vhodným polymerem, který dokázal vše provázat a udržet spodní i vrchní, křehkou hydrofilní strukturu pospolu i po jejich „nacucání“ vodou, věc vyřešila. Tím hlavním jsou tedy polymery, zajišťují dvě funkce - zpevňují strukturu (proto tomu asi neříkají kartáč, ale lešení) a hlavně propůjčují povrchu požadované vlastnosti. Funguje to tak, že molekuly vody, zachycené hydrofilní vrstvou, se samy, přirozeně, posouvají hlouběji do lešení tvořeného sloupořadím nanotrubiček. Jednak vlivem gravitace, ale hlavně efektem kapilárních sil. S molekulami vody si pohrávají van der Waallsovy síly, vodíkové vazby a dipólové interakce a ty je vtahují dovnitř lešenářské struktury.

 

.

 

Zvětšit obrázek
Detail superhydrofobního (vodu-odpuzující) povrchu (vlevo) a hydrofilního, jak jsou vidět v elektronovém mikroskopu. Kredit: Ajayan Group / Rice University

Množství zachycené vody závisí na vlhkosti vzduchu, které kartáč pročesává. V suchém prostředí osmi miligramový vzorek o ploše 0,25 centimetrů čtverečních, za 11 hodin na hmotnosti získal 27,4 procent. Ve vlhkém vzduchu za 13 hodin přibral na váze o 80 procent původní hmotnosti. Další testy ukázaly, že zařízení je jakási past na vodu. Výrazně pomaleji se z něj voda odpařuje. O vynálezu tisk píše jako o něčem, co by mělo aridním oblastem vytrhnout trn z paty. Hlavně se zdůrazňuje, že zařízení nevyžaduje externí zdroj energie.

 

 

Zvětšit obrázek
Tým profesora Pulickel Ajayana prý vymýšlí něco s čím by se dalo po poušti putovat déle než čtyřicet dnů.

 

 

Zde měl článek původně končit. Vzali jsme tužku a začali počítat. Nebyl to dobrý nápad. Kupecké počty ze zázračného poháru na cesty do pouště udělaly koberec a už vůbec ne zázračný. Pokud se na jeden centimetr plochy kartáče daří nalákat 8,768 miligramů vody, potom z jednoho metru čtverečného za půl dne vymačkáme 87,68 gramů. Na jeden litr pitné vody bychom potřebovali plachtu o jedenácti a půl metrech čtverečných.
Vyjdeme-li z pramenů Severočeských vodovodů a kanalizací, potom průměrná denní spotřeba na osobu se pohybuje okolo 83 litrů. Každý severočech by k uchování svého standardu na Sahaře potřeboval deset arů. Na tak velkou deku, centimetr tlustou, vážící v suchém stavu tři metráky, by bylo dobré vzít s sebou i velblouda a možná i dva. Ten druhý by tahal lešení, na které by se to rozvěšovalo, protože jen tak položené na zemi, by to nefungovalo. Jednak se tam práší a málo fouká a do třetice, i když zařízení nepotřebuje rosný bod, sálavé teplo výkonnost snižuje. Američtí vědci uvádějí, že budou pracovat na zvýšení efektivnosti celého zařízení. K tomu by chtěli dospět prodloužením délky „chlupů“ kartáče. Sami ale říkají, že bude značně obtížné aby se jemná struktura nezačala hroutit. S nějakým brzkým zlomovým skokem ve výtěžnosti, počítat nejspíš nelze. Ještě větší problém lze očekávat s tím, co vědci sice uvádějí, ale nekomentují. Že totiž když svůj „pohár“ z nano-lesu trubek otočí vzhůru nohama, nic z něj nevyteče. Ani když je nacucaný na maximum (o 80 % své původní hmotnosti). Uvádějí to jako přednost. Pro praxi by to ale znamenalo, že vodu bude potřeba nějak vymačkávat, nebo získávat šetrným odstřeďováním, aby se jemné chloupky neulámaly či nepomačkaly do nefunkční masy. Takže k získávání té vody nějaká energie potřeba bude, a ne že ne. Nezodpovězeno také zůstává, kolik vody by se při manipulaci s obřími hektarovými košťaty vypařilo, než by se dostala k našim ústům. Ale ani to by nemusel být poslední problém. Kdo někdy, při cestě za hranice všedních dnů, musel na dovolené řešit své problémy Endiaronem, asi se nezbaví myšlenky, jaká že to voda bude? A jaký v tom parnu na vlhkém koštěti by za pár dnů nejspíš rostl blívajz. 

 

Literatura:
Sehmus Ozden a kol.: Anisotropically Functionalized Carbon Nanotube Array Based Hygroscopic Scaffolds, ACS Appl. Mater. Interfaces, pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/am5022717
Rice University

Autor: Josef Pazdera
Datum: 14.06.2014 09:29
Tisk článku

Brouk -
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 999 Kč
cena: 809 Kč
Brouk

Související články:

Čmeláci zvládli základy fotbalu     Autor: Josef Pazdera (28.02.2017)
Nejrychlejším živočichem souše bleskový roztoč poběžník     Autor: Stanislav Mihulka (02.05.2014)
Zlobit maminku se nevyplácí, ani u brouků     Autor: Josef Pazdera (27.08.2013)
Mohou brouci se soumračnou a noční aktivitou při letu využívat echolokaci jako např. netopýři?     Autor: Michal Hruška (08.07.2013)
Kulička udržuje skaraby „cool“     Autor: Josef Pazdera (24.10.2012)



Diskuze:

dotaz

Jarmila Valentova,2014-06-26 00:37:40

Proč vlastně jsou brouci na poušti černí, když to musí být pro ně krajně nevýhodné? To evoluce zaspala? Neměli by náhodou mít spíš něco stříbřitého na sobě?

Odpovědět


záleží na době, kdy jsou aktivní

Pavel Brož,2014-06-26 20:45:53

Nemálo pouštních živočichů je přes ty největší výhně zahrabána v písku, a jsou aktivní v noci, nebo navečer či k ránu.

Odpovědět

černý vyzařuje více tepla?

Andrej Kvasnica,2014-06-25 09:39:10

"Protože je černý, jeho tělo vyzařuje více tepla, než okolní písek." ???

Odpovědět


máte samozřejmě pravdu

Pavel Brož,2014-06-25 21:33:57

Jste pozorný čtenář, přiznám se, že jsem si toho sám vůbec nevšiml. Při vychládání ve větru před východem Slunce samozřejmě na barvě nezáleží.

Odpovědět


Jarmila Valentova,2014-06-26 00:33:33

Jo, automatické korektury jsou prevít. Když nenapíšete správně dohromady přestože, udělají vám z toho protože. Je lepší to vypnout. A nebo třeba nezapomínat před že na čárku :)
Proto je i v diskusich dobré si na to davat pozor.

Odpovědět

ZLATÁ VÍROVÁ TRUBICE

Jiří Kolumberský,2014-06-20 12:13:36

Jednodušším a mnohem levnějším způsobem lze získat vodu pomocí vírové trubice,k pohonu lze využít solární článek nebo větrník, např. viz článek zde: http://www.osel.cz/index.php?clanek=2499

Odpovědět

Life saver

Michal Fryda,2014-06-19 16:28:17

No nevim, predstava, ze mam v kapse slozenou plachtu o velikosti 4x4m a ta mi da kazdy den litr a pul vody mi pride lakava pri pomysleni, ze jsem uprostred pouste a chtel bych prezit.

Odpovědět


ovšem jen za předpokladu

Pavel Brož,2014-06-19 21:35:20

že Vaše kapsa má objem 160 litrů, ta "plachta" je totiž centimetr tlustá.

Odpovědět


Michal Fryda,2014-06-20 10:54:33

Dobra, dobra. to uz by chtelo vetsi kalhoty :D Tak treba misto sedla na velbloudovi ;)

Odpovědět

A co takhle vrstvit desky z tohoto materiálu

Jiří Jiří,2014-06-16 00:05:21

A co takhle vrstvit desky z tohoto materiálu na sebe? Potom by snad odpadl ten problém s výtěžností vody na m^2.
A jak už tu někdo zmínil, součástí by mohl být i solární panel, který by poháněl kompresor a další užitečné pomůcky.

Odpovědět


vrstvení by pomohlo

Pavel Brož,2014-06-16 22:38:12

Takhle, šlo by to. Ideální by bylo dát ty koberce štětinami dolů, nahoře by to bylo uzavřené, ale byl by tam nějaký vyfukovací mechanismus, ten by zasloužil více pozornosti. Jedná se totiž o to, že by bylo nerealistické očekávat, že se huštěním vzduchu na celou horní plochu podaří tu vodu dole rovnoměrně vytlačit – mnohem pravděpodobněji se vytlačí nejprve na malé části té plochy, a touto částí by pak další vzduch unikal, přičemž by většina obsahu vody byla nadále držena ve zbytku plochy koberce.

Nicméně dejme tomu, že se podaří nějakým chytrým, a přitom konstrukčně jednoduchým způsobem to vodu z toho koberce vytlačovat. Pak by to fungovalo tak, že během noci by koberec svou spodní stranou akumuloval vlhkost, k ránu by ji pak vytlačil kompresorem. V principu by stačilo, aby každá deska koberce byla mírně nakloněná, přičemž voda by stékala do jednoho rohu k trubičce, která by vedla do vodojemu zakopaného pár metrů hluboko, tím by se dostatečně efektivně zamezilo odparu z vodojemu i v těch největších pouštních výhních, a přitom by nebylo nutné přidávat nějakou zavírací mechanizaci (i když ta by byla asi násobně jednodušší než onen vyfukovací mechanismus, který by musel dělat něco jako „rastrovací vyfukování“ plochy toho koberce, nebo něco podobného).

Máte pravdu, že těch koberců by se dalo nad sebe takto umístit třeba deset, maximálně asi cca sto, pakliže-li budou v rozestupu po deseti centimetrech v desetimetrové věži, což už by byl samozřejmě extrém. Hustěji určitě nebudou, protože mezi těmi koberci musí volně proudit vzduch, aby se ta vlhkost měla z čeho akumulovat.

Brebery možná nakonec nebudou tak podstatné. Přes den ty koberce horkým vzduchem dostatečně precizně proschnou, a o osud vody v tom vodojemu bych se nebál – koneckonců v přírodních oázách je ta voda přístupná breberám úplně stejně, a lidé i zvířata ji pijí.

Možná ano, možná se ty koberce časem stanou naprosto běžnou infrastrukturou používanou v pouštích. Nicméně bez té energie to opravdu nepůjde, ta voda sama od sebe z těch kapilár nevyteče.

Odpovědět


kondenzát

Ctibor Jablonický,2014-06-17 08:17:04

Pokud už budete mít solární panel a kompresor k výrobě stlačeného vzduchu, nebylo by lepší raději využít kondenzát vody z tlakových nádob kompresoru? :-)

Odpovědět


ad kondenzát vody z kompresoru

Pavel Brož,2014-06-17 20:39:07

No to je právě otázka nakolik která možnost vyjde lépe. Jakmile je k dispozici dostatečně hodně energie, tak je samozřejmě možné provozovat tepelný stroj v režimu ledničky, a během noci tu vlhkost kondenzovat i bez zázračných koberců. Na druhou stranu ty koberce mají celkově obrovskou plochu, vlhkost vzduchu je na pouštích i v noci velice nízká, a ty koberce mají údajně tu vlhkost akumulovat bez energie. Osobně si myslím, že energie potřebná pro vytlačení naakumulované vody z koberce je o několik řádů nižší než energie nutná pro provozování ledničky dávající kondenzací stejné množství vody.

Je to ale jen otázka množství té energie, kterou jsme ochotni na získání té vody obětovat. Osobně si myslím, optimální kompromis se dá dosáhnout nějakým hybridním systémem sestávajícím právě z těch slunečních panelů i těch nanovláken. V tomto systému může být docela dobře zužitkována i kondenzace z práce toho kompresoru, pakliže-li pro tu přes den naakumulovanou energii nebude na místě nasazení lepší využití.

Odpovědět

podle foto se mi zdá, že jediný běloch už není ani

Josef Hrncirik,2014-06-15 15:48:18

vedoucí týmu. Jen tak mimo soutěž. Nedovedu si představit průmyslovou manipulaci s dlouhými muchlajícími se, naprosto ohebnými neb nanotenkými a vlastně neviditelnými vlákny. Už samotné pomyšlení na jejich výrobu, stříhání a uspořádávání mě vádí v úžas. Následují úpravy povrchu, uspořádání až zhuštění (koště se musí tyčit),lepení... . Domnívám se tedy, že je schůdnější sušit pouštní vzduch např. kyselinou sírovou i v poledne a pak si nadestilovat vody co hrdlo ráčí opakovanou, nejlépe vakuovou destilací. Přenosy hmoty a tepla je nutno provádět aktivně s dodáním energie, jinak výsledky budou žalostné. Pochopitelně vodu je možno ze vzduchu i vymražovat... .

Odpovědět

energie a ekonomika zařízení

Pavel Brož,2014-06-15 14:29:23

Bez energie to nepůjde, ale s ní už existuje mnoho způsobů, jak se s dílčími problémy poprat. V pouštích by energie při využití solárních panelů neměla být takovým problémem. Např. pokud by se během dne nějakým mechanismem neprodyšně uzavřel vrchní povrch koberce až na malý otvor pro vhánění vzduchu, tak pak by bylo principiálně možné s využitím elektricky poháněného kompresoru tu nasbíranou vlhkost vytlačit do nějaké sběrné nádoby. Poté by se povrch nechal opět otevřít a vystavit sluneční výhni, díky jeho tmavé barvě by jeho teplota během dne vystoupala na teploty dostatečné k jeho desinfekci, čímž by se zároveň řešily ty brebery.

Samozřejmě písečný prach je univerzálním problémem pro naprosto cokoliv, co se dlouhodobě nachází v poušti, pravidelná údržba by byla nezbytností. Nicméně ani prach není problémem principiálně znemožňujícím to využití. Prach dělal těžkou hlavu už prvním astronautům na Měsíci, ukázal se být problémem, se kterým je nutné seriózně počítat při plánování misí marťanských automatických vozítek, přesto se ale vždy našel způsob, jak se s ním úspěšně poprat, proto si myslím, že by prach neměl být nepřekonatelným problém ani zde.

Separátní otázkou je možná jen ekonomika celého podniku. 80 ml vody z jednoho metru čtverečního za noc – je to dost či zoufale málo? Netuším. Jeden ar takového koberce (plus dodatečná plocha na sluneční panely dodávající nezbytnou energii) vyprodukuje za noc osm litrů vody, což by mohlo stačit dejme tomu pro údržbáře zařízení a jeho velblouda. Na druhou stranu ten by tam nemusel být každý den, ale dejme tomu jednou za měsíc, pak by teoreticky mohlo jít o jakousi umělou oázu, jakousi lokální zásobárnu vody pro případ nouze. Jakožto reálně využitelný zdroj vody pro byť jen jedinou rodinu se to ale nejeví jako moc praktické řešení. Z dlouhodobého pohledu mě přijde stále lepší řešení vyvrtat na geologicky vhodných místech dostatečně hluboké studny a vodu distribuovat, ale možná to vidím příliš skepticky.

Odpovědět

hydrofobní část má jen zvýšit cenu a vyvolat

Josef Hrncirik,2014-06-15 13:08:43

posvátnou bázeň. Z hydrofilní trubice průměru 10 nm se dá voda uvolnit do použitelné volné vody pouze po vynaložení práce minimálně cca 28 J/g. Uhlíkové nánotrubky jsou jako sorbent zcela nevhodné, neb se musí hydrofilizovat. Doporučuji přes nanokoberec
(vynikající tepelná izolace a mechanická ochrana odspodu) přehodit vědecky zaprášenou černou fólii (všechny chytají prach přeochotně samy) a nad ránem orosenou fólii vytřít vyždímaným hadrem. Hadr opět vyždímat atd. .... Tak jak to vždy dělaly bosorky když sbíraly rosu, aby sousedovi chcípla kráva. Ideální termín se blíží.

Odpovědět

Radek Hroch,2014-06-15 11:24:11

No blivajz by tam možná nerost. Lze předpokládat, že uvězněná voda pravděpodobně nebude dostupná blivajzo-výrobcům. Povrch bude tedy suchý, ale to je tak jediné plus
Těžko si představit jednoduše realizovatelný způsob získávání vody a otázka je, zda odstřeďováním ty trubky vodu pustí. Pak už by zbývala jen oddestilovat. Ale třeba se jim při těch molekulárních hrátkách podaří přijít na to, že hydrofobní část je k ničemu a nahradí ji nějakým rezervoárem kapalné vody a pak ji skutečně budou moci jen přelít.

Odpovědět


Ale množily, za to dám krk

Vit Prokop,2014-06-15 12:24:32

Bakterie by se tam nejspíš množily a velmi dobře. Voda totiž sahá až k samému povrchu „kartáče“, jehož povrch nebude bez kazů. Uvažovat jen v rozměrech trubiček, není správné. Těch důvodů, proč by se bakteriím na takovém povrchu dařilo, je celá řada.
1. Mezi trubičkami nejsou rozpony všude stejné.
2. Na větší ploše materiálu musí dojít k ohybům a tak také celé řadě puklinek, také manipulací tu a tam nějaká nanotrubička bude kratší, vypadne... a bakterie se do větší hloubky dostávat budou. Mnohé mají výběžky a mají v nich velkou sílu.
3. Ty bakterie, které mají ke svému pohybu bičíky. Je mají z fglagelinu a jsou to ve skutečnosti duté trubky. Pokud je někam strčí, kapilarita vody vykoná své – po jejich povrchu!
4. Na poušti se také nezbavíte prachu a i on je smáčivý. Zaprášený povrch nano kartáče bude vlhnout a to je také ideální prostředí a nejen pro bakterie.
5. povrch je černý, bude ráno mít funkci krovek toho brouka a tudíž vlhnout. Klíčící semínka zapadlá do vlhkých mezer, také dokážou vykonat divy.

Odpovědět


Tak jednoznačné to není

Radek Hroch,2014-06-15 15:30:00

Život je samozřejmě všudypřítomný. Proto výrok, že se budou množit, bude vždy pravdivý vyjma izolovaného systému zbaveného života. Ale o to tu nejde. Nutné je si uvědomit, že se zde nejedná výlučně o kapilární jev. Voda není uložená volně jako v mokrém tričku ale spíše jako třeba krystalová voda. Koberec nebude na omak vlhký. Možná když se mikroorganismy budou snažit tak třeba něco málo osmoticky vytáhnou, ale bude je to něco stát. Každopádně toho nebude dost, aby vytvořili biofilm tedy podstatu blivajzu. Neuznám ani případné navlhnutí od kondenzátu. Jestliže bude zařízení správně používáno a pravidelně ždímáno, případný kondenzát se ráno rychle vsákne a nebude nikdy vlhký.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni