Лазерное травление - простой способ решить глобальный водный кризис
В условиях пандемии коронавируса люди в развитых странах обеспечены достаточным количеством чистой воды, чтобы мыть руки так часто, как это необходимо для защиты от болезни. И тем не менее почти треть населения Земли не обеспечена даже чистой питьевой водой.
Исследователи из Университета Рочестера теперь нашли способ решить эту проблему, используя солнечный свет - ресурс, доступный каждому - для испарения и очистки загрязненной воды с эффективностью более 100 процентов.
Как это возможно?
В статье, опубликованной в журнале Nature Sustainability, исследователи из лаборатории профессора оптики Чунлей Го демонстрируют, как вспышка фемтосекундных лазерных импульсов вытравливает поверхность обычного алюминиевого листа, превращая его в суперзатекающее (притягивающее воду), супер энергопоглощающий материал.
При размещении в воде под углом к солнцу поверхность:
- Оставляет тонкую пленку воды вверх по поверхности металла
- Сохраняет почти 100% энергии, поглощаемой солнцем, для быстрого нагрева воды
- Одновременно изменяет межмолекулярные связи воды, еще больше значительно повышая эффективность процесса испарения.
«Вместе эти три вещи позволяют технологии работать лучше, чем идеальное устройство, со 100-процентной эффективностью», - говорит Гуо, который также участвует в программах Университета по физике и материаловедению.«Это простой, надежный и недорогой способ справиться с глобальным водным кризисом, особенно в развивающихся странах».
Эксперименты, проведенные в лаборатории, показывают, что этот метод снижает присутствие всех распространенных загрязняющих веществ, таких как моющие средства, красители, моча, тяжелые металлы и глицерин, до безопасного для питья уровня.
Эта технология также может быть полезна в развитых странах для уменьшения нехватки воды в засушливых районах и для проектов по опреснению воды, говорит Го.
Легко чистить, легко наводить
Использование солнечного света для кипячения давно признано способом уничтожения микробных патогенов и снижения смертности от диарейных инфекций. Но кипячение воды не удаляет тяжелые металлы и другие загрязняющие вещества.
Очистка воды на основе солнечной энергии, однако, может значительно уменьшить эти загрязнители, потому что почти все примеси остаются, когда испаряющаяся вода становится газообразной, а затем конденсируется и собирается.
Наиболее распространенным методом выпаривания воды на основе солнечной энергии является объемный нагрев, при котором нагревается большой объем воды, но испаряться может только верхний слой. Го говорит, что это явно неэффективно, потому что используется лишь небольшая часть тепловой энергии.
Более эффективный подход, называемый межфазным нагревом, заключается в размещении плавающих многослойных поглощающих и впитывающих материалов поверх воды, так что нагревать нужно только воду у поверхности. Но все доступные материалы должны плавать горизонтально на поверхности воды и не могут быть обращены прямо к солнцу, говорит Го. Таким образом, подход менее энергоэффективен. Кроме того, имеющиеся влагоотводящие материалы быстро забиваются загрязнениями, остающимися после испарения, что требует частой замены материалов.
Панель, разработанная в лаборатории Гуо, позволяет избежать этих недостатков, вытягивая тонкий слой воды из резервуара прямо на поверхность солнечного поглотителя для нагрева и испарения.«Кроме того, поскольку мы используем поверхность с открытыми канавками, ее очень легко чистить, просто распылив на нее распыление», - говорит Го.
«Самое большое преимущество, - добавляет он, - заключается в том, что угол наклона панелей можно непрерывно регулировать, чтобы они были обращены прямо к солнцу, когда оно восходит, а затем перемещаются по небу перед закатом», - максимизируя поглощение энергии. «Не было ничего похожего на то, что мы могли бы здесь сделать», - говорит Гуо.
Последняя серия приложений
Проект был поддержан Фондом Билла и Мелинды Гейтс, Национальным научным фондом и Исследовательским бюро армии США.
«Армия и ее бойцы работают на воде, поэтому существует особый интерес к исследованиям основных материалов, которые могут привести к передовым технологиям производства питьевой воды», - сказал Эван Раннерстром, руководитель программы Армейского исследовательского бюро. Армейская исследовательская лаборатория Командования развития боевых возможностей армии США.«Супервпитывающие и светопоглощающие свойства этих алюминиевых поверхностей могут обеспечить пассивную или маломощную очистку воды, чтобы лучше поддерживать бойца в полевых условиях».
В дополнение к использованию технологии фемтосекундного лазерного травления для создания супергидрофобных (водоотталкивающих), супергидрофильных (водопритягивающих) и сверхэнергопоглощающих металлов, лаборатория Гуо создала металлические конструкции, которые не тонут независимо от того, как часто их загоняют в воду или на сколько она повреждена или проколота.
Перед созданием водопритягивающих и отталкивающих металлов Гуо и его ассистент Анатолий Воробьев продемонстрировали использование фемтосекундных лазерных импульсов, чтобы сделать практически любой металл черным как смоль. Поверхностные структуры, созданные на металле, невероятно эффективно улавливали входящее излучение, такое как свет. Но они также захватывают свет в широком диапазоне длин волн.
Впоследствии его команда использовала аналогичный процесс для изменения цвета ряда металлов на различные цвета, такие как синий, золотой и серый. Приложения могут включать изготовление цветных фильтров и оптических спектральных устройств, использование одного лазера на автомобильном заводе для производства автомобилей разных цветов; или сделать предложение с золотым обручальным кольцом, которое соответствует цвету голубых глаз вашей невесты.
Лаборатория также использовала первоначальную технику черного и цветного металла для создания уникального массива нано- и микроразмерных структур на поверхности обычной вольфрамовой нити, что позволяет лампочке светиться ярче при той же энергии. использование.