الماء شيء لا يمكننا الاستغناء عنه. يحتاجها الناس لزراعة المحاصيل ولعدد كبير من العمليات الصناعية. لكننا نحتاجه بشكل خاص للشرب. لا يمكن للجسم أن يعيش أكثر من ثلاثة أيام أو نحو ذلك دون شرب الماء. الآن ، طور الباحثون مواد يمكنها سحب الماء مباشرة من الهواء الرقيق. قد يذرف عطش أولئك الذين يعيشون في المناطق النائية أو الجافة.
تنتمي المواد الجديدة إلى نوع يعرف باسم الأطر المعدنية العضوية (MOFs). توفر أسمائهم أدلة حول ما تم صنعهم منه. تخيل مجموعة من Tinkertoys فائقة الصغر. المحاور عبارة عن مجموعات صغيرة من ذرات المعادن. تعمل سلاسل المركبات الحاملة للكربون بمثابة "عصي" تربط تلك المحاور ببعضها البعض. عندما تنضم هذه المكونات ، فإنها تخلق بنية مفتوحة تشبه قرص العسل.
الأطر العضوية المعدنية لديها مجموعة من السمات المفيدة. في العام الماضي ، أبلغ المهندسون عن جعل النباتات الخضراء تأخذ اللبنات الأساسية للأطر العضوية المعدنية ثم تجميعها داخليًا. كانت الأطر العضوية المعدنية هذه قادرة على امتصاص الأطوال الموجية الضارة من الضوء بحيث لا تؤذي النباتات. يمكن للأطر العضوية المعدنية الأخرى تصفية المواد الكيميائية السامة من الهواء ثم تخزينها أو المساعدة في تكسيرها. يمكن للبعض سحب ثاني أكسيد الكربون من المداخن الصناعية ، مما يساعد في مكافحة تغير المناخ. توجد حتى الأطر العضوية المعدنية التي يمكن استخدامها في الخزانات لتخزين الهيدروجين لخلايا الوقود التي تصنع الكهرباء. سيكون النظام الذي يستخدمها أخف وزنًا وأكثر أمانًا في الاستخدام ، خاصة في المركبات.
لكن المجتمعات في الأجزاء القاحلة من العالم ستكون أكثر اهتمامًا بالأطر العضوية المعدنية التي تمتص الماء. يقول Zhiyong Xia إن هذه يمكن أن تلتقط الكثير من الهواء. يعمل عالم المواد هذا في مختبر الفيزياء التطبيقية بجامعة جونز هوبكنز في لوريل ، ماريلاند.
جزيئات الماء (HO) هي الحجم والشكل المثاليين لتمريرها عبر المسام في الأطر العضوية المعدنية الجديدة. هذا يتيح لهم امتصاص المواد. لديهم سمة ثانية لا تقل أهمية. ترتيبها الداخلي للشحنات الكهربائية يجذب الماء.
جزيء الماء على شكل حرف V. يشرح شيا وجود ذرة أكسجين سالبة الشحنة في الجزء السفلي من ذلك الحرف "V". في الأطراف العلوية لـ V توجد ذرتان هيدروجين موجب الشحنة.
لكن ليست كل الأطر العضوية المعدنية التي تجمع المياه مفيدة بنفس القدر ، كما يشير شيا. بعضها يجذب جزيئات الماء ويلتصق بها أيضًا نحن سوف. لاحقًا ، ستحتاج إلى قدر كبير من الطاقة لإطلاق أي مياه تجمعها. الحل الذي قدمه:تحديد الأطر العضوية المعدنية التي لا تمسك بجزيئات الماء بقوة.
الآن هو وزملاؤه فعلوا ذلك بالضبط.
وعد وإمكانات
قاموا بالتحقيق في تسعة أطر عضوية مختلفة قادرة على حصاد المياه. كان المعدن في البعض من الزنك. صُنع البعض الآخر باستخدام التيتانيوم أو النحاس أو الكروم أو الزركونيوم. في المختبر ، وضع الباحثون عينات من كل منها في ظروف رطبة ودرجة حرارة الغرفة ليوم كامل. بعد ذلك ، قاموا بتسخين المادة في هواء أكثر جفافاً لإطلاق الماء الذي التقطه كل منهم. كرروا دورات النقع والإفراج هذه 10 مرات على الأقل.
لم تلتقط بعض الأطر العضوية المعدنية الكثير من الماء. امتص الآخرون كثيرًا في البداية ، لكن لاحقًا أطلقوا جزءًا منه فقط. في الدورات اللاحقة ، قد تمتص المادة أيضًا أقل بكثير مما كانت عليه في البداية. يشرح شيا ، هذه علامة على أن مثل هذه المواد تجذب الماء جيدًا.
في النهاية ، وفقًا لتقرير شيا ، برز إطار عضوي واحد قائم على الزركونيوم. وأشار إلى أن عينات الاختبار كانت دائمًا صغيرة. ولكن إذا كان وزن عينة الأطر العضوية المعدنية هذه كيلوغرامًا واحدًا (2.2 رطل) ، فإن المادة ستمتص ثم تُطلق أكثر من 8 لترات (2.1 جالونًا) كل يوم. وهذا يتفوق على أي نظام سابق لتجميع المياه قائم على وزارة المالية.
وصف شيا وزملاؤه النتائج التي توصلوا إليها في 30 يناير في التقارير العلمية .
عمر ياغي عالم مواد بجامعة كاليفورنيا ، بيركلي. يلاحظ أن هناك فرقًا كبيرًا بين الاختبارات المعملية والدراسات الميدانية. ما هو أكثر من ذلك ، كما يشير ، "التحدي ليس فقط في امتصاص الماء من الهواء الرطب ، ولكن القيام بذلك في رطوبة منخفضة أيضًا."
يقول ياغي إن تجميع بخار الماء من الهواء بمستويات رطوبة أقل من 50 في المائة "يمثل تحديًا كبيرًا". ولكن في الاختبارات الميدانية الأخيرة ، أظهر فريقه وآخرون أن بعض الأطر العضوية المعدنية تبشر بالخير في حصاد المياه ، حتى في البيئات الشبيهة بالصحراء. على وجه التحديد ، تمكنوا من استعادة المياه أثناء الاختبارات في صحراء موهافي بولاية كاليفورنيا. قاموا بتعريض الأطر العضوية المعدنية المصنوعة من الألومنيوم للهواء الخارجي مع رطوبة منخفضة تصل إلى 10 في المائة. حتى في تلك الظروف القاحلة للغاية ، كان بإمكان كيلوغرام من الأطر العضوية المعدنية التي استخدموها جمع 0.7 لتر من الماء من الهواء. أعلن فريقه عن إنجازه في 27 أغسطس 2019 في ACS Central Science.
هل تحتاج إلى الماء ولكن لا يمكنك الوصول إلى مياه الأمطار أو البحيرات أو المياه الجوفية؟ تظهر البيانات الجديدة أنه يمكن استخدام المواد المعروفة باسم الأطر المعدنية العضوية لسحب الماء من الهواء.
هذه واحدة من سلسلة تقدم أخبارًا عن التكنولوجيا والابتكار ، والتي أصبحت ممكنة بفضل الدعم السخي من مؤسسة Lemelson.
