Наноматериал может удерживать в себе воду, вес которой более чем в три раза превышает его собственный, и делает это быстрее, чем существующие коммерческие методы, что позволяет использовать его непосредственно для получения питьевой воды из воздуха.

Партнёрство возглавляют профессора Ракеш Джоши из Центра передового опыта в области углеродных наук и инноваций Австралийского исследовательского совета (ARC COE-CSI) и лауреат Нобелевской премии профессор сэр Константин Новоселов. Профессор Джоши работает в Школе материаловедения и инженерии Университета Нового Южного Уэльса (UNSW). Профессор Новоселов работает в Национальном университете Сингапура.

Согласно докладу Организации Объединённых Наций, около 2,2 миллиарда человек не имеют доступа к безопасной питьевой воде.

На Земле в атмосфере находится около 13 миллионов гигалитров воды (500 гигалитров в Сиднейской бухте). Хотя это лишь малая часть всей воды на Земле, тем не менее это значительный запас пресной воды.

"Наша технология найдёт применение в любом регионе, где достаточно влажно, но ограничен доступ к чистой питьевой воде или её запасы." - Ракеш Джоши, доцент Центра передового опыта в области углеродных наук и инноваций Австралийского исследовательского совета.

Профессор Новоселов добавил: «Это отличный пример того, как междисциплинарное глобальное сотрудничество может привести к практическим решениям одной из самых насущных мировых проблем — обеспечению доступа к чистой воде.»

Волшебство в крепких узах

Инновационный наноматериал основан на оксиде графена — хорошо изученной углеродной решётке толщиной в один атом, функционализированной кислородсодержащими группами. Оксид графена обладает высокой адсорбционной способностью по отношению к воде, что позволяет воде прикрепляться к поверхности материала.

Кальций обладает высокой способностью к адсорбции воды. Исследователи решили изучить влияние внедрения ионов кальция (Ca2+) в оксид графена.

Произошедшее было неожиданным.

Прочные водородные связи между водой и материалом, на который она адсорбируется, являются важнейшими характеристиками материалов, способных успешно адсорбировать воду. Этим свойством обладают как оксид графена, так и кальций. Чем прочнее водородная связь, тем выше способность материала адсорбировать воду.

Кальций и кислород обладают синергетическим эффектом, который обеспечивает превосходную адсорбцию воды.

Исследователи заметили, что взаимодействие кальция с кислородом в графене изменяет прочность водородных связей между водой и кальцием, делая эти связи более прочными.

"Мы измерили количество воды, адсорбированной на оксиде графена, и получили значение X. Мы измерили количество воды, адсорбированной на кальции, и получили значение Y. Когда мы измерили количество воды, адсорбированной на оксиде графена, интеркалированном кальцием, мы получили значение, намного превышающее X+Y. Или как в примере: 1 + 1 = число больше 2." - Сяоцзюнь (Карлос) Жэнь, автор исследования и научный сотрудник Университета Нового Южного Уэльса.

«Более сильная, чем ожидалось, водородная связь является одной из причин чрезвычайной способности материала адсорбировать воду», — добавил он.

Он также лёгок, как пёрышко

Чтобы улучшить способность материала к адсорбции воды, учёные внесли ещё одно изменение в конструкцию: они создали оксид графена с интеркалированным кальцием в форме аэрогеля — одного из самых лёгких твёрдых материалов.

Аэрогели имеют большую площадь поверхности из-за множества пор размером от микро- до нанометровых, что позволяет им развиваться и впитывать воду гораздо быстрее, чем оксиду графена.

Аэрогель обладает губчатыми свойствами, которые облегчают процесс десорбции, то есть высвобождения воды из мембраны.

"Единственная энергия, которая требуется этой системе, — это небольшое количество энергии, необходимое для нагрева системы примерно до 50 градусов, чтобы высвободить воду из аэрогеля." - Дарья Андреева, соавтор исследования и главный научный сотрудник Института функциональных интеллектуальных материалов Национального университета Сингапура.

Сила суперкомпьютера

Исследование основано на теоретических и экспериментальных изысканиях, в которых использовался суперкомпьютер Национальной вычислительной инфраструктуры Австралии (NCI) в Канберре.

Профессор Амир Картон из Университета Новой Англии руководил вычислительным исследованием, которое позволило лучше понять лежащие в основе этого процесса механизмы.

«Смоделированные на суперкомпьютере симуляции объяснили сложные синергетические взаимодействия на молекулярном уровне, и теперь эти знания помогают разрабатывать ещё более совершенные системы для получения воды из атмосферы, предлагая устойчивое решение растущей проблемы нехватки пресной воды в регионах Австралии и в регионах с дефицитом воды по всему миру», — добавил профессор Картон.

Сила науки без границ

Это по-прежнему фундаментальное научное открытие, требующее дальнейшего развития. Промышленность объединила усилия в рамках этой инициативы, чтобы масштабировать технологию и создать прототип для тестирования.

«Мы раскрыли фундаментальные научные принципы, лежащие в основе процесса адсорбции влаги и роли водородных связей. Эти знания помогут обеспечить чистой питьевой водой значительную часть из 2,2 миллиарда человек, не имеющих к ней доступа, что демонстрирует влияние совместных исследований нашего центра на общество», — заявил директор COE-CSI и один из соавторов исследования профессор Лиминг Дай.

В исследовании участвует глобальное партнёрство исследовательских организаций из Австралии, Китая, Японии, Сингапура и Индии.

Ссылка на журнал: Рен, С. и др. (2025) Синергетическая сеть водородных связей из функционализированного графена и катионов для более эффективного улавливания воды из атмосферы. Труды Национальной академии наук Соединённых Штатов Америки. doi.org/10.1073/pnas.2508208122.