Hệ thống vận chuyển nước mới được mô phỏng từ cây xanh
24/07/2019
KH&CN nước ngoài
Tạo ra hệ thống vận chuyển nước hiệu quả lên phía trên để chống lực hấp dẫn là thành công lớn của con người, nhưng cây xanh đã thành thạo điều đó trong hàng trăm triệu năm. Trong một nghiên cứu mới, các nhà khoa học tại trường Đại học Khoa học kỹ thuật Chiết Giang, Trung Quốc đã thiết kế một hệ thống vận chuyển nước mô phỏng cây xanh, sử dụng lực mao dẫn để đẩy nước bẩn lên phía trên qua vật liệu aerogel có cấu trúc phân cấp, sau đó được chuyển đổi thành hơi nước bằng năng lượng mặt trời để tạo ra nước ngọt và sạch. Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí ACS Nano. Trong tương lai, các phương thức vận chuyển nước hiệu quả có tiềm năng được ứng dụng để lọc nước và khử mặn.
Aiping Liu, đồng tác giả nghiên cứu cho biết: "Vật liệu của chúng tôi có tính chất tuyệt vời và độ ổn định tốt, nên có thể được tái sử dụng nhiều lần. Vì thế, vật liệu có thể khử mặn và xử lý nước thải trên quy mô lớn trong tương lai".
Hệ thống mới có hai thành phần chính, bao gồm: vật liệu aerogel siêu nhẹ, xốp, dài vận chuyển nước và một lớp ống nano cacbon phía trên vật liệu aerogel hấp thu ánh nắng mặt trời, biến nước thành hơi nước. Hệ thống được đặt trong thùng chứa thủy tinh. Nước di chuyển lên trên qua các lỗ trong vật liệu aerogel nhờ lực mao dẫn. Khi nước di chuyển lên phía trên, lớp ống nano cacbon được làm nóng bằng năng lượng mặt trời và chuyển đổi nước thành hơi nước, để lại chất ô nhiễm. Hơi nước ngưng tụ ở hai bên của thùng chứa thủy tinh, tạo thành những giọt nước chảy xuống đáy thùng chứa đóng vai trò như bể thu gom.
Thiết kế này được mô phỏng từ cây xanh. Cây xanh chứa nhiều mạch xylem nhỏ hút nước từ mặt đất lên qua các nhánh và lá cây. Khi nước di chuyển đến lá, bức xạ mặt trời làm cho nước bay hơi qua các lỗ nhỏ trên lá, tương tự máy tạo hơi nước bằng năng lượng mặt trời.
Việc mô phỏng hệ thống vận chuyển nước hiệu quả giống như cây xanh trước đây gặp nhiều khó khăn và những hạn chế thường gặp là tốc độ vận chuyển nước tương đối chậm, khoảng cách vận chuyển ngắn và giảm hiệu suất vận chuyển nước thải và nước biển khi so sánh với nước sạch. Với thiết kế của vật liệu aerogel mới, các nhà nghiên cứu đã chứng minh hiệu suất dòng chảy đạt 10 cm trong 5 phút đầu tiên và 28 cm sau 3 giờ. Hệ thống này cũng hoạt động hiệu quả với cả nước sạch, nước biển, nước thải và nước ngầm chứa cát. Ngoài ra, bộ thu nhiệt cacbon đạt hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao lên tới 85%.
Điểm mấu chốt của cải tiến là thiết kế cấu trúc tỉ mỉ cho vật liệu aerogel. Để chế tạo vật liệu, các nhà nghiên cứu đã đổ các thành phần của vật liệu aerogel vào ống đồng, sau đó để chúng trải qua gradien nhiệt độ, trong đó, đầu lạnh của ống hạ xuống -900C. Mức nhiệt này khiến các tinh thể băng phát triển trong mô hình vật liệu aerogel theo gradien nhiệt độ. Sau khi sấy đông ống, vật liệu aerogel thu được có cấu trúc phân cấp với các rãnh thẳng hàng, lỗ siêu nhỏ, bề mặt bên trong có rãnh và lưới phân tử. Các cấu trúc nhỏ này đã góp phần làm tăng hiệu suất của vật liệu aerogel. Trong tương lai, nhóm nghiên cứu sẽ tăng mạnh hiệu suất của hệ thống cho nhiều ứng dụng.
N.P.D