Обнаружен гидрогель, который может поглощать влагу из атмосферы даже при повышении температуры. Этот материал может стать ключевым компонентом пассивных систем климат-контроля.
Подавляющее большинство абсорбирующих материалов теряют способность удерживать воду при повышении температуры. Вот почему наша кожа начинает потеть, а растения сохнут в жару. Даже материалы, предназначенные для впитывания влаги, такие как пакеты с силикагелем в потребительской упаковке, теряют свои губчатые свойства по мере нагрева окружающей среды. Но один материал, по-видимому, уникально противостоит воздействию тепла при высыхании.
Инженеры Массачусетского технологического института обнаружили, что полиэтиленгликоль (ПЭГ) — гидрогель, обычно используемый в косметических кремах, промышленных покрытиях и фармацевтических капсулах, — может поглощать влагу из атмосферы даже при повышении температуры. Материал удваивает свое водопоглощение при повышении температуры от 25 до 50 градусов по Цельсию (от 77 до 122 градусов по Фаренгейту), сообщает команда.
Устойчивость ПЭГ связана с трансформацией, запускаемой при нагревании.
По мере того, как окружающая среда нагревается, микроструктура гидрогеля трансформируется из кристаллической в менее организованную «аморфную» фазу, что повышает способность материала улавливать воду.
Основываясь на уникальных свойствах ПЭГ, команда разработала модель, которую можно использовать для создания других термостойких и водопоглощающих материалов.
Группа предполагает, что такие материалы однажды могут быть превращены в устройства, которые собирают влагу из воздуха для питьевой воды, особенно в засушливых районах пустыни. Материалы также могут быть включены в тепловые насосы и кондиционеры для более эффективного регулирования температуры и влажности.
«Огромное количество энергии, потребляемой в зданиях, используется для регулирования температуры», — говорит Ленан Чжан, научный сотрудник факультета машиностроения Массачусетского технологического института.
«Этот материал может стать ключевым компонентом пассивных систем климат-контроля».
Чжан и его коллеги подробно описывают свою работу в исследовании, опубликованном сегодня в Advanced Materials.
Команда обнаружила необычные свойства ПЭГ, когда они оценивали множество подобных гидрогелей на предмет их способности собирать воду. «Мы искали высокоэффективный материал, который мог бы улавливать воду для различных целей», — говорит Чжан.
«Гидрогели — идеальный кандидат, потому что они в основном состоят из воды и полимерной сети. Они могут одновременно расширяться по мере поглощения воды, что делает их идеальными для регулирования влажности и водяного пара».
Команда проанализировала различные гидрогели, в том числе ПЭГ, поместив каждый материал на весы, установленные в камере с контролируемым климатом.
Материал становился тяжелее, так как впитывал больше влаги. Записывая изменение веса материала, исследователи могли отслеживать его способность поглощать влагу при изменении температуры и влажности в камере. То, что они наблюдали, было типично для большинства материалов: по мере повышения температуры способность гидрогелей улавливать влагу из воздуха уменьшалась. Причина этой зависимости от температуры хорошо понятна: с теплом приходит движение, а при более высоких температурах молекулы воды движутся быстрее, и поэтому их труднее удержать в большинстве материалов.
На самом деле они обнаружили, что ПЭГ становился тяжелее и продолжал поглощать воду, когда исследователи повышали температуру в камере с 25 до 50 градусов Цельсия.
«Сначала мы думали, что измерили некоторые ошибки, и думали, что это невозможно», — говорит Лю.
«После того, как мы перепроверили все правильно в эксперименте, мы поняли, что это действительно происходит, и это единственный известный материал, который показывает увеличение водопоглощающей способности при более высокой температуре».
Группа сосредоточилась на ПЭГ, чтобы попытаться определить причину его необычной термостойкости.
Они обнаружили, что материал имеет естественную температуру плавления около 50 градусов по Цельсию, а это означает, что обычно кристаллическая микроструктура гидрогеля полностью разрушается и превращается в аморфную фазу. Чжан говорит, что эта расплавленная аморфная фаза дает полимерам в материале больше возможностей для захвата любых быстро движущихся молекул воды.
«В кристаллической фазе на полимере может быть только несколько участков, способных притягивать воду и связываться», — говорит Чжан.
«Но в аморфной фазе у вас может быть гораздо больше доступных мест. Таким образом, общая производительность может возрасти с повышением температуры».
Источник: Xinyue Liu, Lenan Zhang, Bachir El Fil, Carlos D. Díaz‐Marín, Yang Zhong, Xiangyu Li, Shaoting Lin, Evelyn N. Wang. Unusual Temperature Dependence of Water Sorption in Semicrystalline Hydrogels. Advanced Materials, 2023; DOI: 10.1002/adma.202211763