Uma parceria científica internacional criou um nanomaterial único capaz de colher eficientemente a água potável do vapor de água no ar. O estudo foi publicado no Anais da Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos da América (PNAS).
O nanomaterial pode armazenar mais de três vezes seu peso na água e faz até agora mais rápido que os métodos comerciais existentes, permitindo que ele seja usado diretamente para produzir água potável a partir do ar.
Professores Rakesh Joshi do Centro de Excelência do Conselho Australiano de Pesquisa para Ciência e Inovação de Carbono (Arc Coe-CSI) e o professor ganhador do Nobel Sir Kostya Novoselov lideram a parceria. O professor Joshi trabalha na Escola de Ciência e Engenharia da Universidade de Nova Gales do Sul (UNSW). O professor Novoselov está sediado na Universidade Nacional de Cingapura.
De acordo com um relatório das Nações Unidas, cerca de 2,2 bilhões de pessoas não têm acesso à água potável.
Na Terra, aproximadamente 13 milhões de gigalitros de água são suspensos na atmosfera (500 gigalitres no porto de Sydney). Embora isso represente apenas uma fração da água whole na Terra, é um suprimento significativo de água doce.
Nossa tecnologia terá aplicação em qualquer região em que tenhamos umidade suficiente, mas acesso limitado ou disponibilidade de água potável limpa.
Rakesh Joshi, Professor Associado do Centro de Excelência do Conselho Australiano de Pesquisa para Ciência e Inovação de Carbono
Prof Novoselov acrescentou: “Este é um excelente exemplo de como a colaboração world interdisciplinar pode levar a soluções práticas a um dos problemas mais prementes do mundo – acesso à água limpa.”
Encontrando magia no vínculo
O nanomaterial inovador é baseado em óxido de grafeno, uma treliça de carbono bem estudada que é um átomo de espessura e funcionalizada com grupos contendo oxigênio. O óxido de grafeno possui fortes características de adsorção de água, que permitem que a água prenda à superfície de um materials.
O cálcio possui altas qualidades de adsorção de água. Os pesquisadores decidiram investigar os efeitos de intercalação ou inserção de íons de cálcio (CA2+) em óxido de grafeno.
O que aconteceu foi inesperado.
As fortes ligações de hidrogênio entre a água e o materials em que adsorve são características cruciais dos materiais que adsorvem com sucesso a água, e o óxido de grafeno e o cálcio têm essa propriedade. Quanto mais forte a ligação de hidrogênio, maior a capacidade de um materials de adsorver a água.
O cálcio e o oxigênio têm um efeito sinérgico que permite uma notável adsorção de água.
Os pesquisadores observaram que a maneira como o cálcio coordena com o oxigênio no grafeno modifica a força das ligações de hidrogênio entre água e cálcio, tornando essas ligações mais fortes.
Medimos a quantidade de água adsorvida no óxido de grafeno por si só e medimos X. Medimos a quantidade de água adsorvida no próprio cálcio e recebemos Y. Quando medimos a quantidade de água adsorvida no óxido de grafeno intercalado de cálcio que obtivemos muito mais que x+y. Ou é como 1+1 é igual a um número maior que 2.
Xiaojun (Carlos) Ren, primeiro autor e assistente de pesquisa da Universidade de Nova Gales do Sul
““Essa ligação de hidrogênio mais forte do que o esperado é uma das razões para a extrema capacidade de adsorver água”Ele acrescentou.
Também é tão leve quanto uma pena
Os cientistas adicionaram mais um ajuste de projeto para melhorar a capacidade de adsorção de água do materials: criaram o óxido de grafeno intercalado de cálcio na forma de um airgel, um dos materiais sólidos mais leves conhecidos.
Os aerogéis têm uma grande área de superfície devido a seus muitos poros do tamanho de nanômetros, o que lhes permite desenvolver e absorver a água muito mais rapidamente do que o óxido de grafeno.
O Airgel oferece qualidades semelhantes a esponjas que facilitam o processo de dessorção, que libera água da membrana.
A única energia que esse sistema exige é a pequena quantidade necessária para aquecer o sistema a cerca de 50 graus para liberar a água do airgel.
Daria Andreeva, co-autora do estudo e pesquisador principal do Instituto de Materiais Inteligentes Funcionais, Universidade Nacional de Cingapura
O poder do supercomputador
O estudo é baseado em pesquisas teóricas e experimentais que usaram o supercomputador da Infraestrutura Nacional Australiana de Infraestrutura Computacional (NCI), com sede em Canberra.
O professor Amir Karton, da Universidade da Nova Inglaterra, liderou o estudo computacional que forneceu a compreensão essencial do processo subjacente.
““As simulações modeladas realizadas no supercomputador explicaram as interações sinérgicas complexas no nível molecular, e essas idéias agora ajudam a projetar sistemas ainda melhores para a geração de água atmosférica, oferecendo uma solução sustentável para o crescente desafio da disponibilidade de água doce na Austrália regional e em regiões de água em todo o mundoAcrescentou o professor Karton.
O poder da ciência sem fronteiras
Esta continua sendo uma descoberta científica básica que requer desenvolvimento adicional. A indústria trabalhou juntos nessa iniciativa para ajudar na escala dessa tecnologia e criar um protótipo para testes.
““O que fizemos é descobrir a ciência basic por trás do processo de adsorção de umidade e o papel da ligação de hidrogênio. Esse conhecimento ajudará a fornecer água potável a uma grande proporção daqueles 2,2 bilhões de pessoas que não têm acesso a ela, demonstrando o impacto social pela pesquisa colaborativa de nosso centroAfirmou o diretor Coe-CSI e um dos co-autores do estudo, Prof Liming Dai.
O estudo é uma parceria world que compreende organizações de pesquisa na Austrália, China, Japão, Cingapura e Índia.
Referência do diário:
Ren, X. et al. (2025) Rede sinérgica da ligação de hidrogênio de grafeno e cátions funcionalizados para captura de água atmosférica aprimorada. Anais da Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos da América. doi.org/10.1073/pnas.2508208122.