[미국] 건조한 공기에서 물을 포획하는 탄소 나노튜브 숲
만약 사막에서 목이 말라 죽지 않으려면, 딱정벌레처럼 되거나, 나노튜브 컵을 가지고 가야 한다.
라이스 대학 과학자들에 의해 진행된 새로운 연구는 건조한 사막 공기에서 물분자들을 채집하고 미래의 이용을 위해 이 물분자들을 저장하기 위해 탄소 나노튜브 숲을 만들어 시험했다.
검습 스카폴드라고 부르는 이 발명은 "Anisotropically Functionalized Carbon Nanotube Array Based Hygroscopic Scaffolds"라는 제목으로 응물 재료와 계면이라는 미국 화학회 저널에 발표된 논문에 자세히 볼 수 있다.
라이스 대학 재료 과학자 풀리컬 아자얀 박사 연구실 연구원들은 새벽 안개로부터 물분자들을 채집하고 마시기 위해 날개를 뻗어 사막에서 살아남는 스테노카라 딱정벌레를 모방하는 방법을 찾았다.
그들은 수퍼반수성(물방출) 하부와 친수성(물흡수) 상부로 나노튜브를 만들기 위해 라이스 대학에서 개발된 공정을 통해 성장된 탄소 나노튜브 숲을 개선했다. 이 숲은 공기로부터 물분자들을 끌어들이고 측면들이 자연적으로 반수성이기 때문에 이 물분자들을 내부에 저장한다. 이는 어떠한 외부 에너지를 요구하지 않고 이 숲 내부에 물을 저장한다. 물을 밖으로 빼내기 위해 이 숲을 짤 수 있고 이 물질을 다시 사용할 수 있다.
물 보조 화학증착법으로 통해 성장된 숲들은 수 나노미터 두께와 센티미터 정도의 길이로 측정되는 나노튜브들로 구성된다. 라이스 대학 연구팀은 이 숲 상부로 수퍼반수성 층을 증착하고 실리콘 기반으로부터 이 숲을 제거하고 이를 뒤집어 다른 쪽에 친수성 폴리머 층을 붙였다.
실험들에서, 물분자들은 친수성 상부에 연결되고 모세관 작용과 중력을 통해 이 숲을 통과했다. 숲 내부 공기는 배출되기 보다 압축된다고 연구원들은 추측한다. 일단 많은 물이 이 숲 덮개에 붙었을 때, 이 효과는 분자들이 수소 결합과 쌍극자 상호작용인 반데르발스 힘을 통해 나노튜브 전체로 퍼지도록 내부로 끌려들어 증가된다. 이후 이 분자들은 더 많은 물을 내부로 끌어들인다.
연구원들은 몇 가지 다양한 컵들을 테스트했다. 상부 친수성 층만 있는 숲들은 처리되지 않은 하부가 상부와 함께 연결된 폴리머 연결들이 부족하기 때문에 습한 공기에 노출될 때 부서진다. 친수성 상부와 하부가 있는 숲은 함께 연결되지만 물이 바로 사라진다. 그러나, 반수성 하부와 친수성 상부를 가진 숲은 물 내 무게의 80퍼센트를 채집한 후에도 온전하게 남아있었다.
채집된 물 증기의 양은 공기의 습도에 따른다. 0.25평방센티미터 표면을 가진 8밀리그램 샘플은 건조한 공기 내에서 11시간 동안 무게의 27.4 퍼센트를 습한 공기 내에서 13시간 동안 80 퍼센트를 끌어들였다. 더 많은 실험들은 채집된 물의 증발이 매우 천천히 된다는 것을 보였다. 만약 대형으로 나노튜브 숲을 성장시킬 수 있다면, 이 발명은 외부 에너지원을 필요치 않기 때문에 효율적이고 효과적인 물 채집 장치가 될 수 있을 것이다.
실용적인 이용으로 이 발명을 적용하기 위한 요구에서 탄소 나노튜브 배열들을 생산하는 것이 문제로 남아있다.
그림 설명: 라이스 대학에서 개발한 검습 스카폴드는 공기로 부터 물분자들을 채집하는 능력을 가진 개선된 탄소 나노튜브 숲이다. 채집된 물은 재사용 스카폴드를 짜 방출시키거나 공기로 천천히 증발할 때까지 저장된다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 6월 16일]
[원문보기]
carbon nanotube forests capture water from arid air
(Nanowerk News) If you don’t want to die of thirst in the desert, be like the beetle. Or have a nanotube cup handy. New research by scientists at Rice University demonstrated that forests of carbon nanotubes can be made to harvest water molecules from arid desert air and store them for future use.
The invention they call a “hygroscopic scaffold” is detailed in a new paper in the American Chemical Society journal Applied Materials and Interfaces ("Anisotropically Functionalized Carbon Nanotube Array Based Hygroscopic Scaffolds"). A hygroscopic scaffold created at Rice is a modified forest of carbon nanotubes that have the ability to harvest water molecules from the air.
The water is stored until released either by squeezing the reusable scaffold or until it slowly evaporates back into the atmosphere. (Image: Ajayan Group) Researchers in the lab of Rice materials scientist Pulickel Ajayan found a way to mimic the Stenocara beetle, which survives in the desert by stretching its wings to capture and drink water molecules from the early morning fog.
They modified carbon nanotube forests grown through a process created at Rice, giving the nanotubes a superhydrophobic (water-repelling) bottom and a hydrophilic (water loving) top. The forest attracts water molecules from the air and, because the sides are naturally hydrophobic, traps them inside. “It doesn’t require any external energy, and it keeps water inside the forest,” said graduate student and first author Sehmus Ozden. “You can squeeze the forest to take the water out and use the material again.”
The forests grown via water-assisted chemical vapor deposition consist of nanotubes that measure only a few nanometers (billionths of a meter) across and about a centimeter long. The Rice team led by Ozden deposited a superhydrophobic layer to the top of the forest and then removed the forest from its silicon base, flipped it and added a layer of hydrophilic polymer to the other side.
In tests, water molecules bonded to the hydrophilic top and penetrated the forest through capillary action and gravity. (Air inside the forest is compressed rather then expelled, the researchers assumed.) Once a little water bonds to the forest canopy, the effect multiplies as the molecules are drawn inside, spreading out over the nanotubes through van der Waals forces, hydrogen bonding and dipole interactions. The molecules then draw more water in.
The researchers tested several variants of their cup. With only the top hydrophilic layer, the forests fell apart when exposed to humid air because the untreated bottom lacked the polymer links that held the top together. With a hydrophilic top and bottom, the forest held together but water ran right through. But with a hydrophobic bottom and hydrophilic top, the forest remained intact even after collecting 80 percent of its weight in water. The amount of water vapor captured depends on the air’s humidity.
An 8 milligram sample (with a 0.25-square-centimeter surface) pulled in 27.4 percent of its weight over 11 hours in dry air, and 80 percent over 13 hours in humid air. Further tests showed the forests significantly slowed evaporation of the trapped water. If it becomes possible to grow nanotube forests on a large scale, the invention could become an efficient, effective water-collection device because it does not require an external energy source, the researchers said. Ozden said the production of carbon nanotube arrays at a scale necessary to put the invention to practical use remains a bottleneck. “If it becomes possible to make large-scale nanotube forests, it will be a very easy material to make,” he said.
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