空気中から受動的に水を抽出できる新素材を開発
(blog.seas.upenn.edu)- Penn Engineeringの研究チームが、外部エネルギーなしで空気中の水分を細孔に集め、その後表面の水滴として放出するナノ構造材料の系統を発見
- 核心は、親水性ナノ細孔と疎水性ポリマーを組み合わせた両親媒性ナノ多孔質構造で、低湿度でも細孔内で毛細管凝縮が起こる
- 一般的なナノ多孔質材料と異なり、水が細孔内にとどまらず表面へ移動し、膜が厚いほど回収される水の量も増える
- 表面の水滴はすぐ蒸発するという予測に反して長く維持され、細孔の下にある隠れた貯蔵庫が空気中の水蒸気で継続的に補充される構造だと解釈された
- 乾燥地域での受動的な水回収、電子機器・建物の冷却表面、湿度応答型スマートコーティングへつながる可能性がある一方、成分バランスの最適化と大面積化が課題として残っている
偶然の水滴から始まった発見
- Penn Engineeringの化学工学研究室で、親水性ナノ細孔と疎水性ポリマーの組み合わせを試験していたところ、実験材料の表面に水滴が生じた
- 当初の目的は水の回収ではなかったが、予想外の現象が繰り返し起きたため、研究チームは原因分析に着手した
- Science Advancesに掲載された研究は、空気中の水分を捕集して表面へ放出する両親媒性ナノ多孔質材料を扱っている
- 研究チームには、Penn EngineeringのDaeyeon Lee、Amish Patel、Lee研究室の博士研究員Baekmin Kim、Technical University of MunichのStefan Guldinらが参加した
冷却なしで水を集める動作原理
- 一般的な表面凝縮では、温度を下げるか非常に高い湿度が必要となる
- 既存の水ハーベスティング方式も、表面冷却のためのエネルギー入力や、湿潤環境で濃い霧が形成される条件に依存する場合が多い
- 今回の材料は、冷却の代わりに毛細管凝縮を活用する
- 水蒸気が非常に小さな細孔内で、低湿度でも凝縮する過程である
- 毛細管凝縮そのものは新しい現象ではない
- 違いは、凝縮した水が細孔内に閉じ込められず、表面へ移動して水滴として現れる点にある
膜厚の実験で確認した内部起源
- 研究チームは当初、実験室内の温度勾配のような装置要因によって、水が表面で単純に凝縮した可能性を検討した
- 原因を切り分けるため、材料膜の厚さを増やし、表面に集まる水の量が変わるかを確認した
- 表面凝縮だけが原因であれば、膜厚は水の量に影響しないはずだった
- 実際には、膜が厚くなるほど回収される水の総量が増加し、表面の水滴が材料内部から来た水である根拠となった
長く維持される水滴と補充の循環
- 水滴は大きさと曲率だけを見れば速やかに蒸発するはずだが、実験では長時間安定的に維持された
- 外部の共同研究チームも、さまざまな条件で多孔質膜を観察し、結果の再現性を確認する役割を担った
- この材料は、水を引き寄せるナノ粒子と、水をはじくプラスチックであるポリエチレン(polyethylene) のバランスによって特殊な性質を示す
- 表面の水滴は、下部の細孔にある隠れた貯蔵庫とつながっている
- 貯蔵庫は空気中の水蒸気によって継続的に補充される
- 親水性・疎水性成分のバランスが、凝縮と放出のフィードバックループを可能にする
受動的な水回収と冷却への拡張課題
- この材料は一般的なポリマーとナノ粒子で作られ、スケーラブルな製造方法を使える点が強みである
- 潜在的な応用分野は次のとおり
- 乾燥地域向けの受動的水回収装置
- 電子機器や建物の冷却用表面
- 周囲の湿度に反応するスマートコーティング
- 研究チームは、細胞やタンパク質が複雑な環境で水を管理する仕組みも、より優れた材料設計に活用しようとしている
- 次の段階は、親水性・疎水性成分のバランス最適化、実用化に向けたスケールアップ、回収された水滴が表面から効率よく転がり落ちる方法の調査である
- 長期的には、空気中の水蒸気だけを利用して乾燥気候で清潔な水を提供したり、より持続可能な冷却方法を実現したりする技術につながる可能性がある
1件のコメント
Hacker News のコメント
「空気中から水を引き寄せて細孔に集め、外部エネルギーなしで表面へ放出する」という説明は、高機能な除湿剤パックのように聞こえる
https://www.amazon.com/Wisesorb-Moisture-Eliminator-Fragranc... のような製品は、塩化カルシウムで不飽和の空気から水を吸収して小さな水滴を作るが、使い切ると新しく買うか、煮沸して結晶を回収する必要がある
新素材でも水滴は素材に付着しているため、取り除くにはエネルギーが必要になる。装置の下のバケツへ魔法のように落ちてくるわけではないので、エネルギーなしで水を「収穫」することはできない。ペーパータオルで拭き取ることはできても、そのペーパータオルから水を取り出すにはまたエネルギーがかかる
「物理法則に逆らう可能性もある素材」という表現も間違っている。大学の広報チームと技術記者は、物理法則が破られたと信じる前に著者へ再確認し、独立した専門家にも確認するという短い研修を受けるべきだ
問題の文と誤解を招くタイトルは大学側の記事に由来する: https://blog.seas.upenn.edu/penn-engineers-discover-a-new-cl...
物理法則を破っているわけではなく、水滴を切り離すには依然としてエネルギーがかかる、という点はその通り。ただし水滴が表面へ移動するなら、放出に必要なエネルギーは Peltier 接合のような能動的な除湿方式よりはるかに低くできるように見える
https://www.amazon.sg/Thirsty-Hippo-Dehumidifier-Moisture-Ab...
基本的には強化されたシリカゲルに近い
図4とシミュレーション図3Eを見ると、何かが起こり始める条件は**相対湿度97%**で、しかも数分後のようだ。それもマイクロメートル規模である
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
家でもほとんど試せる程度だ。ポリ手袋を「凍結乾燥」されたシリカ粉末に溶かせばよい
必要なエネルギーが低いなら、興味深い技術と見なせる
吸収表面や毛細管ベースの輸送システムと組み合わせれば役立つかもしれないが、まだ未解決の問題に見える
実際の論文（https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349）には、「特に明記しない限り、すべての測定は空気循環システムで維持した20° ± 0.2°Cで行った。必要に応じてフィルム温度は加熱／冷却装置（THMS350V, Linkam Scientific Instruments, Salfords, UK）で制御した」とある
つまり潜熱は冷却装置へ逃げているのに、より劇的に見せるために明示的には言わなかったということ
これは露が生じる直前の非常に湿った空気である。多くの人は「物理法則違反」という扇情的な表現に注目しているが、自然に起きる過程の漸進的な改善に近い
核心的な主張は、不飽和蒸気から巨視的な水滴が自発的に生じるというものだが、これは熱力学第二法則が許す現象ではない
現時点の理解では、周囲温度が十分に低い環境で、より高い温度でも動作できるため、潜熱を受動放射で逃がせる。能動的なヒートポンプを使う場合でも、より高い温度は効率を上げられる。閉鎖系なら最終的に平衡に達するだろうが、閉鎖系を維持する必要はない
おそらくこの材料層をアルミニウムに載せて潜熱を伝導させ、追加エネルギーなしに水を作り続ける装置を作れるだろう。日陰にこの材料でできたフィンの束と、その下に回収槽を置いた「キューブ」を考えればよい。実際に製作した後、周囲の空気から1日に何リットルをどの条件で取り出せるのかが興味深い
こうした装置は、温度と水分量が人間に危険な湿球温度の天候で不可欠になるかもしれない。エネルギーなしに空気中の水を吸い込む受動装置なら、命を救うこともあり得る
ナノ粒子間の空間がプラスチックで一部埋まり、プラスチック対粒子の比率がpoly-ethyleneの体積分率（ϕPE）である。複数の比率を試し、特定の範囲で濡れ挙動が現れるという
実験上、**相対湿度70%**でも材料内部に小さな水滴が生じるとされている。事実なら、ごく少ないエネルギーで水滴を取り出す方法があると期待できる。たとえばフィルムに開いた回収ポイントを作る、超音波で水滴をはじいて合体させる、水で飽和し得る材料の上にフィルムを作って新しい水滴が流れに合流しやすくする、といった方法だ
https://en.wikipedia.org/wiki/Volume_fraction
論文のどこかに重要な手がかりを隠しているのでなければ、この主張は熱力学第二法則と合わないように見える
彼らは一定温度かつ100%未満の相対湿度で、ナノ材料上に水滴が凝縮すると主張している。われわれの知る熱力学では絶対に禁じられていることだ。この条件では細孔内部の凹面には凝縮し得るが、平らな表面上の凸状の水滴は生じ得ない
疎水性成分が水を表面へ「絞り出す」という説明もでたらめだ。凝縮はあふれる前に止まるはずだ。凹状の細孔で凝縮した水が凸状の水滴として押し出されるには、静水圧が同時に正でも負でもなければならない
あり得る説明は、1) 汚染された表面、2) 相対湿度の補正ミス、3) 材料を周囲より低い温度に保つ冷却板を省いている、くらいだ
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
水分はあらゆる物質の中へ拡散し、蒸気圧が低い場所に従って蒸発する。相対湿度40%では唇が乾き、70%では潤うのもそのためだ
言っているのは凝縮であり、これは温度低下によって空気が過飽和になったときに起こる現象だが、ここではそういう場合ではないようだ
理論的には、空気中の高い湿気を吸収しつつ、微視的な性質で水滴の生成を促進し、その水滴をスマート防湿層のような受動材料で空気から分離して水を収穫する材料はあり得る
濡れたものはほこりと微生物を引き寄せる。ほこりと水があれば微生物はさらに増える。すぐに地衣類が生えてくるだろう
4日前の再投稿: https://news.ycombinator.com/item?id=44060712
それに、熱力学に反しているように聞こえさせることには本当に成功している。実際にはそうではなく、除湿機はすでに、支払うエネルギーコストに対して空気中からうまく水を取り出している。だとすれば別のセールスポイントがあるはずだが、よく見えない
コンプレッサー式除湿機はエアコン並みに運転コストがかかり、不要な熱を出し、うるさい。デシカント式除湿機はエネルギー効率がさらに低い
より少ないエネルギーと騒音で空気中から水分を取り出す方法があるなら、大変なことだ
論文には「驚くべきことに、この両親媒性ナノ多孔質PINFを高い不飽和条件、すなわち相対湿度（RH）< 100%にさらすと、冷却なしでもフィルム表面に巨視的な水滴が自発的に現れる」とある
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349
まず水を得て、その結果として物質が少し温まった後、再び周囲温度まで受動的に冷却され得る
https://dune.fandom.com/wiki/Windtrap
プレスリリースで「物理学に逆らう」という表現を使わなければよかったのにと思う。水凝縮器にとって重要な発見かもしれないが、外部エネルギー源が不要だと主張するのはかなり不用意だ
ほぼ間違いなく、ある種のブラウン・ラチェットを作ったのだと思う: https://en.wikipedia.org/wiki/Brownian_ratchet
人々は外部エネルギー源がないと主張したがるが、詳しく見ると高温・低温の差があり、その差を維持するには外部エネルギーが必要になる。物質が周囲より冷たいか、流入する湿気が周囲より暖かいかのどちらかに大金を賭けてもいい。物質内部の差かもしれないし、実験室の照明が片側を温めているのかもしれない
昼夜の温度サイクルに依存する受動的な装置も多いが、それも太陽から入ってくるエネルギーだ
記事には、物質の厚さを増やして熱勾配を排除しようとしたとあるが、なぜそれで排除できるのか分からない。勾配は依然として存在し得る
意図的にエネルギーを供給していないなら、おそらく非常に効率がよいはずで、それでもなお大きく重要なことだ。なのに一般の関心を得るには永久機関のように主張しなければならないようで、そこが嫌だ
ブログ記事なので査読論文並みの厳密さを期待するわけではないとしても、結局は科学に害を及ぼす。どこかの魔法の物質が熱力学第二法則を破るという信念は、化学というより錬金術に近い
温度と湿度を制御したと仮定すると、物質はより熱くなるはずだが、これはヒートシンクで受動的に解決できそうにも見える。彼らの説明が正しければかなり大きな話で、もっともらしくも見える
かなり面白い。基本的には、凝縮・蒸発サイクルに必要な熱力学的な差を、気候の制御から物質の制御へ移すようなものだ
将来、孔のサイズをプログラムできるようになったらどうだろう。貯蔵部の流入・流出バランスを必要に応じて変えられる。スマート衣料を想像できる。暑いときは孔を大きくして水を逃がし、寒いときは孔を小さくして水があまり蒸発しないようにする、といった具合だ
ただ、記事中の「物理学違反」という表現は引っかかる
関連して https://en.wikipedia.org/wiki/Air_well_(condenser), https://en.wikipedia.org/wiki/Fog_collection, https://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_water_generator が参考になりそうだ
新しい物質のメカニズムはまったく違う。空気が飽和している必要はないように見える
すでに空気中から水を取り除く物質はある。その場合、水は吸収された状態のまま残る。この物質も似た原理のように見えるが、本当の違いは水が吸収されたまま残り続けないことだ
ここはRedditではないけれど、それでも
https://en.wikipedia.org/wiki/Dune_(novel)
空気中から水を分離するのに必要な最小エネルギーは、塩水から水を分離するのに必要な最小エネルギーよりはるかに大きいことを理解すべきだ
この物理的事実のため、淡水化は常に大気中の水の収穫より効率的であり得る
追加の消耗品投入が不要な装置があるなら、かなり興味深い。電気は使えるが他の材料投入がないという点で、メリットを得られる場所も多いだろう
電力があれば、どこでも空気中から水を収穫できる。淡水化は通常、海辺で作った水を必要な場所まで運ばなければならない
輸送費が水の収穫をより効率的にするほど大きくなり得るのかは、まったく分からない
エネルギー収支や他の技術との比較という観点で見ると、吸収と凝縮が同じ物質の内部で受動的に起こるため、エネルギーを投入する必要がないという意味です。
吸収で得た熱は、次の凝縮段階で外へ逃げていきます。したがって、この発見のインパクトは、エアコンや除湿機、あるいは南側の尾根にある moisture vaporator の電力が不要になる点にあります。
AIはいつも試しているのですが、これはモデルが訓練されていなかったであろう技術についてどう考えるのかを見るのが面白いテーマでした。Grokは私（B.S.ChemE）よりもプロセスをより綿密に検討していました。
https://grok.com/share/bGVnYWN5_e80e8100-3682-4157-879e-c5ca...
Mojaveの真ん中で、炭酸塩岩、木炭、大きな波形金属管を使って似たようなものを作ったことがあります。
一晩で約3ガロンの水を生産しました。
34.997387, -116.380048
突き出た大きな管が見えるはずです。そこには鉱夫用のホテルが建てられています。