По данным Всемирного института управления водными ресурсами более одной трети человечества страдают от дефицита воды. Если ничего не будет предпринято, чтобы остановить его, примерно 1,8 миллиарда человек будут жить в странах или регионах с абсолютным дефицитом воды к 2025 году. К счастью, благодаря биомимикрии и достижениям физики, технологии очистки и опреснения воды растут и совершенствуются.
Графен представляет собой материал, обладающий уникальной структурой и свойствами, обеспечивающий ему широкий спектр применения, в том числе для улучшения фильтрации воды. Графен – это лист атомов углерода толщиной в один атом. Он почти прозрачный, очень легкий, отлично проводит тепло и электричество, гидрофобный и чрезвычайно прочный. Он настолько прочный, что Джеймс Хон, профессор машиностроения в Колумбийском университете, утверждает, что понадобится слон, балансирующий на карандаше, чтобы проткнуть лист графена толщиной с пищевую пленку.
Но как графен может быть отличным фильтром для воды, если он гидрофобен? При бомбардировке листа графена ионами галлия в нем образуются отверстия диаметром в один атом (так называемые капилляры или дефекты). Это позволяет воде активно просачиваться через отверстия в структуре материала. Крупные частицы не могут пройти через решетку и отсеиваются как на решете.
Исследователи из Университета Манчестера обнаружили, что графен непроницаем для газов и паров, кроме воды, даже гелий, самый сложный для отфильтровывания газ, не может пройти сквозь отверстия наряду с солями размером 9 ангстрем и больше. Этот процесс является наиболее эффективным при фильтрации слоя воды толщиной в один атом (одной толщины с графеном), но фильтрация будет происходить и при погружении графена в воду. За счет повышенной проницаемости графена – в 50 раз больше, чем у обычных мембран – фильтрация происходит сверхбыстрои сравнима со скоростью обычного кофейного фильтра. Конечная цель команды Университета Мичигана – создать фильтр, позволяющий получить стакан питьевой воды из морской воды в течение нескольких минут после ручной прокачки. Такой научный прорыв повлечет за собой принципиальные изменения в подходах к организации систем водоснабжения во всем мире.
Из-за необычных свойств графена ученые пытаются создатьи внедрить его более эффективно, начиная с момента его открытия несколько лет назад. Исследователи-инженерыКолумбийскогоуниверситетавпервые экспериментальнопродемонстрировали возможность электрического контакта к слою графена через его одномерный край, вместо контакта через плоскость, как это было в традиционном подходе.
Посредством этого подхода была изобретена новая технология сборки, предотвращающая загрязнение в пределах слоистого материала (включая слои графена). Кеннет Шепард, профессор электротехники в Колумбийском Университете, говорит, что новая геометрия контактирования через края является залогом более эффективного контакта, нежели традиционная, и открывает нам возможности применения в устройствах и фундаментальных физических исследований. Так что держите глаза открытыми: смартфоны и другие портативные устройства, использующие графен, потенциально могут быть коммерчески доступны в течение последующих 5-10 лет. Графен также может быть использован для более эффективного и экономически целесообразного создания биотоплива или литий-ионных батарей электромобилей.
Ученые также активно борются с дефицитом воды, черпая вдохновение у существ, наилучшим образом приспособленных к этому.Намибийский жук (Stenocaragracilipes) обитает на юго-западном побережье Африки, в одной из самых засушливых пустынь в мире. Пустыня Намиб известна своими высокими температурами, сильными ветрами и скудными осадками, но через нее проходят туманы от Атлантического океана ранним утром и ночью.Намибийский жук извлекает выгоду из этой приносимой ветром влаги и собирает в среднем до 12 процентов от массы его тела с помощью техники, известной как улавливание тумана. Туманоулавливающий жук поворачивается спиной к приближающемуся бризу, несущему с собой крошечные росинки, и ждет. Спинка жука является гидрофобной, но маленькие бугорки на спине гидрофильные. При дуновении ветра крошечные капли воды притягиваются к гидрофильным бугоркам и конденсируются, аккумулируясь на спине жука.
Когда капли увеличиваются до значительных размеров, вес капель и скорость ветра превышают гидрофильные силы, и капли стекают по гидрофобной спинке жука, скатываясь прямо в его рот. Такие продукты, как коллектор для тумана были вовлечены в решение проблемы нехватки воды, но подражание совершенной действенной биологии жука может помочь ученым более эффективно противостоять проблеме водного кризиса. Задача сейчас заключается в создании пассивных устройств для сбора воды в засушливых районах для местного потребления, особенно в бедных странах. Один из примеров продукта биомимикрии, вдохновленный намибийским жуком, — Бутылка Сбора Росы. Использование биомимикрии в будущем поможет ученным открыть более действенный, естественные способы решения наших крупнейших проблем.
Достижения в понимании физики, ее применения, изучения окружающей среды и биомимикрии позволяют нам разрабатывать более эффективные способы борьбы с нехваткой водных ресурсов по всему миру. Графен подтвердил свои свойства исключительного материала с широким спектром уникальных и полезных качеств, но шаг за пределы лаборатории для проверки того, как жизнь естественными путями преодолевает различные проблемы, может быть столь же информативным. Будем надеяться, что такие скромныесущества как намибийский жук помогут нам вступить в тот день, когда нехватка питьевой воды перестанет быть проблемой. Говоря словами Доктора Ирины Григорьевой «Этот день еще не настал, но это уже не научная фантастика».
Ссылка на источник:
