Sự ra đời của vật liệuTrong Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Thiết bị của MIT, các nhà nghiên cứu đang miệt mài thiết kế những vật liệu tân tiến để giải quyết các thách thức về tình trạng thiếu nước và năng lượng của thế giới. Trong quá trình tìm kiếm những vật liệu có khả năng thu được nước từ không khí, nhóm nghiên cứu đã chú ý tới hydrogel – một loại gel có tính co giãn, trơn trượt, chủ yếu được làm từ nước và một ít polyme liên kết chéo. Trong nhiều năm qua, hydrogel đã được sử dụng làm chất liệu thấm hút trong tã lót dùng một lần, vì chúng có thể trương nở và hấp thụ một lượng nước lớn khi tiếp xúc với chất liệu này.
“Câu hỏi là, làm thế nào chúng tôi có thể khiến nó phát huy tác dụng tốt như vậy khi hấp thụ nước từ trong không khí?”, Carlos Díaz-Marin chia sẻ – anh là nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật cơ khí và là thành viên tại Phòng thí nghiệm.
Díaz-Marin cùng với các đồng nghiệp của mình đã đào sâu tìm tòi và đọc các tài liệu nhằm tìm ra phương hướng phù hợp. Họ phát hiện ra rằng những nhóm nghiên cứu khác đã thử nghiệm trộn hydrogel với nhiều loại muối khác nhau. Một số loại muối, chẳng hạn như muối mỏ hay được dùng để làm băng tan chảy, có khả năng hấp thụ độ ẩm rất tốt, bao gồm cả hơi nước. Và loại muối tốt nhất trong số đó là lithium clorua, loại muối này có khả năng hấp thụ gấp mười lần khối lượng của chính nó. Nếu chỉ để riêng muối lithium clorua ở ngoài, thì nó có thể thu được hơi nước từ trong không khí, song hơi ẩm sẽ chỉ đọng lại xung quanh đống muối chứ bản thân loại tinh thể này không có khả năng giữ được nước đã hấp thụ.
Lúc này đây, các nhà nghiên cứu đã tự hỏi, vì sao họ lại không thử kết hợp hai loại vật liệu này với nhau để lấy được ưu điểm của cả hai? Nghĩ là làm, họ đã tìm cách tẩm muối lithium clorua vào trong hydrogel. Và từ đây, loại vật liệu có thể vừa thu được hơi ẩm lại vừa trương nở để giữ được nhiều nước hơn ra đời.
“Vật liệu này mang những tính chất tốt nhất của cả hai giới. Hydrogel có thể chứa rất nhiều nước, còn muối có thể thu được rất nhiều hơi ẩm. Vì thế, thật hợp lý khi chúng tôi muốn kết hợp hai vật liệu này với nhau”, Gustav Graeber – nghiên cứu viên chính tại Đại học Humboldt ở Berlin – cho biết.
Không chỉ như vậy, so với các nghiên cứu trước đây, họ đã tìm được cách tẩm nhiều muối lithium clorua hơn vào trong hydrogel. Kết quả, họ quan sát thấy hydrogel kết hợp muối đã hấp thụ và giữ lại một lượng chất ẩm chưa từng có, trong một loạt các mức độ ẩm khác nhau, bao gồm cả những điều kiện môi trường cực kỳ khô hanh đã hạn chế các thiết kế vật liệu khác.
Phương pháp tổng hợpTrong quá trình tìm hiểu ban đầu, họ phát hiện ra các nhóm nghiên cứu khác đã đạt đến giới hạn về lượng muối mà họ có thể đưa vào trong hydrogel. Cho tới nay, các mẫu hydrogel muối thể hiện khả năng hấp thụ tốt nhất là hydrogel tẩm 4 – 6 gam muối trên mỗi gam polymer. Các mẫu như vậy hấp thụ được khoảng 1,5 gam hơi nước trên mỗi gam vật liệu trong điều kiện khô hạn, với độ ẩm tương đối là 30%.
Trước đây, trong đa phần nghiên cứu, các nhà khoa học đã tổng hợp hydrogel muối bằng cách ngâm hydrogel trong nước muối và chờ muối tự ngấm vào vật liệu. Hầu hết các thử nghiệm sẽ kết thúc sau 24 tới 48 tiếng đồng hồ, vì các nhà nghiên cứu nhận thấy quá trình này diễn ra quá chậm chạp, và không hiệu quả vì lượng muối ngấm vào trong hydrogel chẳng được bao nhiêu. Khi họ kiểm tra khả năng hấp thụ hơi nước của các vật liệu thu được, thì chúng hấp thụ được rất ít, do ngay từ đầu lượng muối bên trong mẫu đã không đủ để có thể thu được hơi nước.
Điều gì sẽ xảy ra nếu các nhà nghiên cứu để quá trình tổng hợp vật liệu này tiếp diễn trong nhiều ngày, hay thậm chí nhiều tuần? Liệu hydrogel có thể hấp thụ nhiều muối hơn nữa không, nếu được cho đủ thời gian? Để trả lời cho nghi vấn này, nhóm nghiên cứu tại MIT đã tiến hành các thử nghiệm với polyacrylamide (một loại hydrogel phổ biến) và lithium clorua (một loại muối có khả năng siêu hấp thụ).
Sau khi tổng hợp ống hydrogel thông qua những phương pháp trộn tiêu chuẩn, các nhà khoa học đã thái ống thành từng lát mỏng hình tròn và thả chúng vào các dung dịch muối lithium clorua có nồng độ khác nhau. Mỗi ngày, họ đều lấy lát hydrogel ra khỏi dung dịch và cân chúng, nhằm xác định hàm lượng muối đã ngấm vào trong vật liệu, rồi lại thả chúng về lại dung dịch.
Cuối cùng, họ phát hiện ra rằng, nếu để hydrogel ngâm càng lâu trong dung dịch, thì nó càng hấp thụ nhiều muối hơn. Sau khi ngâm trong dung dịch 30 ngày, hydrogel đã chứa tới 24 gam muối, với số liệu trước đó chỉ chứa 6 gam muối trên mỗi gam polymer.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã cho các mẫu hydrogel chứa lượng muối khác nhau vào trong những điều kiện độ ẩm khác biệt, để thử nghiệm khả năng hấp thụ của chúng. Họ nhìn thấy các mẫu thử có thể trương nở và hấp thụ nhiều hơi ẩm hơn ở tất cả các mức độ ẩm mà không rò rỉ nước ra ngoài.
Đáng chú ý nhất là, nhóm nghiên cứu đã báo cáo rằng ở những điều kiện vô cùng khô hạn với độ ẩm tương đối là 30%, các hydrogel đã thu được lượng nước “phá kỷ lục” là 1,79 gam nước trên mỗi gam vật liệu. Lượng nước này có thể được thu hồi bằng cách đun nóng vật liệu hydrogel muối ngậm nước rồi ngưng tụ lại, sau đó chúng ta sẽ có được nước siêu tinh khiết.
Bất kỳ sa mạc nào vào ban đêm cũng có độ ẩm tương đối thấp, vì thế ta có thể thấy rằng vật liệu này có thể tạo ra nước trong sa mạc. Song, vì tốc độ hấp thụ của chúng hiện còn thấp, nên các nhóm nghiên cứu tại Viện MIT đang tìm cách để tăng tốc những đặc tính siêu hấp thụ mà vật liệu có.
Anh Gustav Graeber, đồng tác giả của nghiên cứu, nói: “Điều ngạc nhiên lớn mà chúng tôi không dự đoán được là với một phương pháp đơn giản như vậy, chúng tôi đã có thể thu được lượng hơi nước hấp thụ cao nhất được báo cáo cho tới nay. Giờ đây, trọng tâm chính của nhóm chúng tôi sẽ là động lực họcvà làm thế nào để vật liệu hấp thụ nước nhanh nhất có thể. Điều này sẽ cho phép bạn quay vòng vật liệu rất nhanh. Như thế, thay vì chỉ thu được nước một lần mỗi ngày, thì bạn có thể thu được nước tới 24 lần chỉ trong một ngày”.
Nếu được sản xuất nhanh chóng và trên quy mô lớn, hydrogel muối này có thể được sử dụng làm công cụ thu hoạch nước thụ động, đặc biệt ở những vùng sa mạc hay các khu vực dễ bị hạn hán. Tại đây, chúng sẽ liên tục hấp thụ hơi nước và cuối cùng ngưng tụ thành nước uống cho người dân.
Một hướng ứng dụng khác mà nhóm nghiên cứu hiện đang cân nhắc là tích hợp vật liệu này vào các thiết bị điều hòa không khí như một bộ phận hút ẩm, giúp tiết kiệm năng lượng.