ニューヨーク大学アブダビの科学者が新しい水を発見

May 29, 2023

ウセム・チャアウリ/iStock

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淡水は地球上で最も貴重な資源の 1 つであり、すべての生き物にとって基本的な必要性です。 しかし現実には、世界の多くの地域で真水がますます不足しつつあります。

国連によると、20億人以上の人々が安全に管理された飲料水サービスを受けられずに暮らしており、2050年までに世界人口の最大3分の2が、少なくとも1か月間は水が不足している地域に住むことになると推定されています。年。 世界人口の増加と気候変動の影響の増大に伴い、淡水の需要は増加し続ける一方、供給は依然として限られていると予想されます。

その後、水危機に対処する持続可能な手段を提供する革新的な技術も求められています。 最近、Interesting Engineering (IE) は、有機結晶が霧や霧などの空気中の湿気から水を集めるという、そのような取り組みの 1 つを報告しました。

この研究では、ニューヨーク大学アブダビ校（NYUAD）の研究科学者パトリック・コミンズ氏と博士研究員マリー・B・アルハンダウィ氏が、水が蒸気から液体の形に自発的に凝縮し、ゆっくりと昇華する物質の表面を移動するプロセスを初めて観察した。有機結晶。

昇華は、物質が最初に液体になることなく、固相から気相に直接変化するプロセスです。

彼らの研究結果が将来の集水技術に何を意味するのかについてより深い洞察を得るために、IE はこの二人と、この論文の責任著者に指名されたパンチェ・ナウモフ氏（スマート マテリアル ラボのリーダーであり、スマート センターのディレクター）にインタビューしました。 NYUADのエンジニアリングマテリアル。

以下の Q&A セッションは流れを考慮して若干編集されています。

IE: あなた自身の言葉で、このプロセスがどのように機能するかを概説していただけますか?

コミンズ:この研究で、私たちは空気中の湿気が有機結晶の表面に集められ、その結果生じる水が物理的プロセスの組み合わせによりその表面を移動できる新しいメカニズムを発見しました。

私たちはこの水輸送の原理を研究しました。これは一般的であり、原則として、本質的に動的である他の表面にも適用されます。 コンセプト。 したがって、この作品で使用されている素材に固有のものではありません。

このメカニズムでは、表面に非常に細いチャネルがあり、時間の経過とともにその幅が変化することが必要です。 私たちの場合、これは結晶の表面が固体から気相にゆっくりと移行する遅い昇華プロセスによるものです。

NYUAD 提供

これにより水路の幅が変化し、その結果、水が水路に沿って移動できることが分かりました。 この動きにより、水はその途中で塵やその他の固体粒子を運びます。

IE: あなたの発見を助けたテクノロジーについて教えてください。

コミンズ:私たちは当初、曲げやすいことが知られているこの材料の機械的特性を研究するために、いくつかの技術を組み合わせて使用​​していました。 その変形のメカニズムを理解するために、材料の表面を注意深く観察しました。

実験では、2 つの高解像度顕微鏡を組み合わせて使用​​し、すべての実験に取り組む好奇心と、いくつかの幸運が必要でした。

私たちが一晩結晶の表面を観察していると、異常な現象に気づきました。塵の破片が表面に沿って明確な直線の軌道を描いて走っているのです。固体粒子は通常静止しているため、これは予想されません。

光学顕微鏡を使用すると、粒子の移動などの巨視的な変化を観察することができました。 同時に、原子間力顕微鏡を使用して、表面チャネルの形状の変化など、プロセス中の表面の微細な変化を調査しました。

IE: 結晶が、たとえば砂漠で見つかった資源から水をどのように捕捉するか (つまり、技術的方法) について説明してください。

ナウモフ:ここで言及しなければならないのは、現段階での私たちの研究は、将来の新技術の基礎となる可能性のある物理プロセスの基礎的な観察であるということです。

このプロセスがさまざまな工学的用途に実装されることは想像できますが、私たちの結果は、この原理を具体的な水収集用の操作可能なデバイスに変換するためにさらなる研究が必要な段階にあります。

これは、科学者とエンジニアの両方が協力して現実世界のデバイスを構築し、その後最適化、テスト、スケールアップする、長いプロセスです。

研究のこの最初の段階では、この発見を実用化することに関心のある関係者との潜在的なスポンサーシップとパートナーシップを楽しみにしています。 私たちは、新しいテクノロジーの実装に向けて、関係者と喜んで協力します。

IE: あなたの手法が役立つ現実の応用例は何ですか? つまり、クリスタル/メソッドから誰が利益を得ると思いますか?

アル・ハンダウィ:開発の現段階では、水を表面上で自律的に移動させる新しい方法を発見したため、この新しいメカニズムは基礎科学の観点から最も興味深いものです。

表面をゆっくりと変化させて水を動かすメカニズムの原理は一般的です。 私たちは、研究で研究したプロトタイプの材料以外の意図的に製造された材料でも複製できるはずだと考えています。

これは非常に普遍的な現象であるため、水と固体表面の接触を伴うさまざまな用途が考えられます。 ある例では、表面で水が凝結すると、ほこりやその他の粒子が自律的に拭き取られる、概念的に新しい自動洗浄表面を考えることができます。

たとえば、太陽電池パネルに通常堆積する塵や砂の除去を容易にする材料で太陽電池パネルをコーティングすることを想像できます。

IE: 規模を拡大する際の課題など、あなたの研究の限界は何ですか? あなたのアプローチの次のステップについて簡単に説明していただけますか?

ナウモフ:新しいテクノロジーの翻訳と同様、制限は通常、パフォーマンスの評価、材料の最適化、関連デバイスの設計、そしておそらく最も重要なこととして、現実世界のアプリケーションへのスケールアップのプロセスに関連しています。

これらの各ステップには、適切な技術的ソリューションを提案することで克服する必要がある固有の課題がいくつかあります。 この研究で考えられる限界の 1 つは、現実世界の状況に合わせてスケールアップすることです。

実験室の設定では、顕微鏡サイズの結晶でしか材料をテストできませんでした。 次の段階では、何らかの方法で整列させた結晶の集合体を使用して、これをスケーリングします。

私たちは現在、この課題へのアプローチを検討しています。 私たちは、この新しい技術に関心を持つ外部スポンサーを巻き込むことで、この研究を拡大できればと考えています。そうすれば、新しい自動洗浄表面の実用的な側面に取り組むエンジニアを参加させることができます。