Los ingenieros del MIT han sintetizado un nuevo hidrogel superabsorbente infundido con cloruro de litio que puede absorber una cantidad de humedad sin precedentes, incluso en condiciones desérticas. Este material tiene potencial para su uso a gran escala en la captación pasiva de agua y en la mejora de la eficiencia del aire acondicionado. (Concepto del artista).
Un nuevo material desarrollado por ingenieros del MIT exhibe una absorción de vapor «récord».
Los ingenieros del MIT han sintetizado un material súper absorbente que puede absorber una cantidad récord de humedad del aire, incluso en condiciones desérticas.
A medida que el material absorbe el vapor de agua, puede hincharse para dejar espacio para más humedad. Incluso en condiciones muy secas con una humedad relativa del 30 %, el material puede extraer vapor del aire y retener la humedad sin fugas. Luego, el agua podría calentarse y condensarse, y luego recolectarse como agua ultrapura.
El material transparente y gomoso está hecho de hidrogel, un material naturalmente absorbente que también se usa en pañales desechables. El equipo aumentó la absorción del hidrogel al infundirlo con cloruro de litio, un tipo de sal conocido por ser un poderoso desecante.
Los ingenieros del MIT han sintetizado un material súper absorbente que puede absorber una cantidad récord de humedad del aire, incluso en condiciones desérticas. En la foto se ven discos de hidrogel hinchados en agua. Crédito: Gustav Graeber y Carlos D. Díaz-Marín
Los investigadores descubrieron que podían infundir el hidrogel con más sal de lo que era posible en estudios anteriores. Como resultado, observaron que el gel cargado de sal absorbía y retenía una cantidad de humedad sin precedentes, en una variedad de niveles de humedad, incluidas condiciones muy secas que han limitado otros diseños de materiales.
Si se puede hacer rápidamente y a gran escala, el gel superabsorbente podría usarse como colector pasivo de agua, particularmente en las regiones desérticas y propensas a la sequía, donde el material puede absorber vapor continuamente, que luego se puede condensar en agua potable. . . Los investigadores también prevén que el material podría colocarse en acondicionadores de aire como un elemento deshumidificador que ahorra energía.
“El hidrogel puede contener mucha agua y la sal puede capturar mucho vapor. Así que es intuitivo que quieras combinar los dos”, dice Gustav Graeber. La foto es una imagen microscópica de un hidrogel seco cargado de sal. Crédito: Gustav Graeber y Carlos D. Díaz-Marín
“Fuimos independientes de las aplicaciones en el sentido de que nos enfocamos principalmente en las propiedades fundamentales del material”, dice Carlos Díaz-Marin, estudiante de posgrado en ingeniería mecánica y miembro del Laboratorio de Investigación de Dispositivos del MIT. “Pero ahora estamos explorando problemas muy diferentes, como cómo hacer que el aire acondicionado sea más eficiente y cómo se puede recolectar agua. Este material, por su bajo costo y alto rendimiento, tiene mucho potencial”.
Díaz-Marin y sus colegas publicaron sus resultados en un artículo publicado recientemente en la revista Advanced Materials. Los coautores del estudio del MIT son Gustav Graeber, Leon Gaugler, Yang Zhong, Bachir El Fil, Xinyue Liu y Evelyn Wang.
«Lo mejor de ambos mundos»
En el Laboratorio de Investigación de Dispositivos del MIT, los investigadores están diseñando nuevos materiales para resolver los desafíos mundiales de energía y agua. Al buscar materiales que pudieran ayudar a recolectar agua del aire, el equipo se concentró en los hidrogeles: geles elásticos y resbaladizos hechos principalmente de agua y un poco de polímero reticulado. Los hidrogeles se han utilizado durante años como material absorbente en pañales porque pueden hincharse y absorber una gran cantidad de agua cuando entra en contacto con el material.
“Nuestra pregunta era, ¿cómo podemos hacer que esto funcione tan bien para absorber el vapor del aire?” Dice Díaz-Marín.
Él y sus colegas revisaron la literatura y descubrieron que otros habían experimentado mezclando hidrogeles con varias sales. Ciertas sales, como la sal de roca que se usa para derretir el hielo, son muy efectivas para absorber la humedad, incluido el vapor de agua. Y el mejor de ellos es el cloruro de litio, una sal capaz de absorber más de 10 veces su propia masa en humedad. Si se deja solo en una pila, el cloruro de litio podría atraer el vapor del aire, pero la humedad simplemente se acumularía alrededor de la sal, sin forma de retener el agua absorbida.
Entonces, los investigadores intentaron infundir la sal en el hidrogel, produciendo un material que puede retener la humedad y hincharse para acomodar más agua.
“Es lo mejor de ambos mundos”, dice Graeber, quien ahora es investigador principal en la Universidad Humboldt de Berlín. “El hidrogel puede contener mucha agua y la sal puede capturar mucho vapor. Así que es intuitivo que quieras combinar los dos”.
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Pero el equipo del MIT descubrió que otros habían llegado al límite de la cantidad de sal que podían llevar en sus geles. Las muestras con mejor rendimiento hasta la fecha han sido los hidrogeles infundidos con 4 a 6 gramos de sal por gramo de polímero. Estas muestras absorbieron alrededor de 1,5 gramos de vapor por gramo de material en condiciones secas de 30% de humedad relativa.
En la mayoría de los estudios, los investigadores ya habían sintetizado muestras sumergiendo hidrogeles en agua salada y esperando que la sal infundiera los geles. La mayoría de los experimentos terminaron después de 24 a 48 horas, ya que los investigadores encontraron que el proceso era demasiado lento y que no había mucha sal en los geles. Cuando probaron la capacidad del material resultante para absorber vapor de agua, las muestras absorbieron muy poco, ya que contenían muy poca sal para absorber la humedad en primer lugar.
¿Qué pasaría si la síntesis de material pudiera continuar, digamos, durante días e incluso semanas? ¿Podría un hidrogel absorber aún más sal, con suficiente tiempo? Para obtener una respuesta, el equipo del MIT realizó experimentos con poliacrilamida (un hidrogel común) y cloruro de litio (una sal superabsorbente). Después de sintetizar tubos de hidrogel utilizando métodos de mezcla estándar, los investigadores cortaron los tubos en discos delgados y colocaron cada disco en una solución de cloruro de litio con una concentración de sal diferente. Sacaron los discos de la solución todos los días para pesarlos y determinar cuánta sal había infundido en los geles, luego los devolvieron a sus soluciones.
Al final, encontraron que, de hecho, con más tiempo, los hidrogeles absorbían más sal. Después de sumergirse en solución salina durante 30 días, los hidrogeles incorporaron hasta 24, frente al récord anterior de 6 gramos de sal por gramo de polímero.
Luego, el equipo sometió varias muestras de los geles cargados de sal a pruebas de absorción en una variedad de condiciones de humedad. Descubrieron que las muestras podían hincharse y absorber más humedad en todos los niveles de humedad, sin fugas. En particular, el equipo informa que en condiciones muy secas con una humedad relativa del 30 %, los geles capturaron un «récord» de 1,79 gramos de agua por gramo de material.
“Cualquier desierto por la noche tendría esa baja humedad relativa, por lo que es posible que este material pueda generar agua en el desierto”, dice Díaz-Marin, quien ahora está buscando formas de acelerar las propiedades superabsorbentes del material.
“La gran sorpresa inesperada fue que con un enfoque tan simple, pudimos lograr la mayor absorción de vapor reportada hasta la fecha”, dice Graeber. “Ahora el enfoque principal estará en la cinética y qué tan rápido podemos hacer que el material absorba agua. Esto te permitirá reciclar ese material muy rápidamente, de modo que en lugar de recuperar agua una vez al día, puedes recolectar agua quizás 24 veces al día”.
Referencia: «Absorción de agua extrema de hidrogeles higroscópicos a través de la carga de sal inducida por hinchamiento maximizada» por Gustav Graeber, Carlos D. Díaz-Marín, Leon C. Gaugler, Yang Zhong, Bachir El Fil, Xinyue Liu y Evelyn N. Wang, mayo 18, 2023, Materiales Avanzados.
DOI: 10.1002/adma.202211783
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias de Suiza.
