Zvětšit obrázek

Vzor objevu - pouštní brouk Sběrač rosný (Onymacris unguicularis). Před východem slunce na písečné duně udělá stojku. Přesto, že je jeho tělo černé od melaninu, vyzařuje teplo více než okolní písek, ochladí se pod teplotu rosného bodu a na jeho krovkách začne kondenzovat vzdušná vlhkost. Foto: Didier Descouens, Wikipedia

Pulickel Ajayan je původem Ind a profesně metalurg. Stážoval u  NEC Corporation v Japonsku, Laboratoire de Physique des Solides, ve Francii,  Max-Planck-Institutu ve Štuttgartu, aby jako profesor zakotvil v Americe na Rice university.

Zvětšit obrázek

Z bločku o milionech uhlíkových nanotrubiček udělají hydrofilní a hydrofóbním polymery samo se plnící „pohár“. Kredit: Jeff Fitlow / Rice University

Spolu se svými kolegy se prý nechal inspirovat africkým broukem potemníkem Onymacris unguicularis. Ten je doma v poušti Namib. Většinu dne prospí zavrtán hluboko v písku, ale má jednu vlastnost hodnou následování. Sportuje už od raního kuropění. Má i české jméno - sběrač rosný.  Před východem slunce se vyškrábe na písečnou dunu, kde víc fouká. Protože jeho tělo vyzařuje více tepla, než okolní písek. Tím se ochladí pod teplotu rosného bodu a než ho paprsky zahřejí, vzdušná vlhkost na něm kondenzuje. Den vítá sportovně, staví stojku, kapičky mu při tom z krovek stékají po bocích rovnou do úst.          

Zvětšit obrázek

Les uhlíkatých nanotrubiček dokáže vychytat molekuly vody ze vzduchu a zadrží je jako houba. Kredit: Ajayan Group / Rice University

Ajayanův kolektiv černé broučí krovky vylepšil. Udělal je velké a zvětšil jejich povrch uhlíkovými nano trubičkami. I když to podle nás spíš připomíná kartáč, nebo koště, nazvali to "hygroskopickým lešením". Článek s výkonnostními podrobnostmi jejich vychytávky na vzduch, se má objevit v novém čísle časopisu American Chemical Society, byl přijat do tisku. To podstatné na novém objevu ale není „les“ nanotrubiček. Fígl vysoké účinnosti spočívá v něčem jiném. V povrchové úpravě trubiček. Každá „štětina“ má totiž hydrofobní a hydrofilní část. Vodou milujícím make-upem je vylepšena vrchní část,  ta vychytá molekuly vody ze vzduchu. Vodu odpuzujícím (super hydrofobním) polymerem je vylepšená spodní polovina nanotrubiček. Ta je tam proto, aby  nachytaná voda spodem nevytékala a také se neodpařovala.
.

Zvětšit obrázek

Hygroskopický les uhlíkových nanotrubiček shromažďuje a ukládá molekuly vody i z vyprahlého vzduchu. Ve vlhkém prostředí voda vyplní až 80 procent objemu trubkovitého lešení (vlevo). V na vodní páry chudém vzduchu to je méně (uprostřed), ale i ze „zcela“ suchého vzduchu se dá voda tímto vynálezem získat (vpravo). Kredit: Ajayan Group / Rice University

Štětiny tohoto kartáče na vzduch mají průměr jen několik nanometrů (miliardtin metru), zato jsou dlouhé téměř centimetr. Proto se vědcům zpočátku dlouho nedařilo. Jejich „pohárek“ na vodu se bořil a rozpadal, jakmile se setkal s vlhkostí. Až varianta s vhodným polymerem, který dokázal vše provázat a udržet spodní i vrchní, křehkou hydrofilní strukturu pospolu i po jejich „nacucání“ vodou, věc vyřešila. Tím hlavním jsou tedy polymery, zajišťují dvě funkce - zpevňují strukturu (proto tomu asi neříkají kartáč, ale lešení) a hlavně propůjčují povrchu požadované vlastnosti. Funguje to tak, že molekuly vody, zachycené hydrofilní vrstvou, se samy, přirozeně, posouvají hlouběji do lešení tvořeného sloupořadím nanotrubiček. Jednak vlivem gravitace, ale hlavně efektem kapilárních sil. S molekulami vody si pohrávají van der Waallsovy síly, vodíkové vazby a dipólové interakce a ty je vtahují dovnitř lešenářské struktury.

.

Zvětšit obrázek

Detail superhydrofobního (vodu-odpuzující) povrchu (vlevo) a hydrofilního, jak jsou vidět v elektronovém mikroskopu. Kredit: Ajayan Group / Rice University

Množství zachycené vody závisí na vlhkosti vzduchu, které kartáč pročesává. V suchém prostředí osmi miligramový vzorek o ploše 0,25 centimetrů čtverečních, za 11 hodin na hmotnosti získal 27,4 procent. Ve vlhkém vzduchu za 13 hodin přibral na váze o 80 procent původní hmotnosti. Další testy ukázaly, že zařízení je jakási past na vodu. Výrazně pomaleji se z něj voda odpařuje. O vynálezu tisk píše jako o něčem, co by mělo aridním oblastem vytrhnout trn z paty. Hlavně se zdůrazňuje, že zařízení nevyžaduje externí zdroj energie.

Zvětšit obrázek

Tým profesora Pulickel Ajayana prý vymýšlí něco s čím by se dalo po poušti putovat déle než čtyřicet dnů.

Zde měl článek původně končit. Vzali jsme tužku a začali počítat. Nebyl to dobrý nápad. Kupecké počty ze zázračného poháru na cesty do pouště udělaly koberec a už vůbec ne zázračný. Pokud se na jeden centimetr plochy kartáče daří nalákat 8,768 miligramů vody, potom z jednoho metru čtverečného za půl dne vymačkáme 87,68 gramů. Na jeden litr pitné vody bychom potřebovali plachtu o jedenácti a půl metrech čtverečných.
Vyjdeme-li z pramenů Severočeských vodovodů a kanalizací, potom průměrná denní spotřeba na osobu se pohybuje okolo 83 litrů. Každý severočech by k uchování svého standardu na Sahaře potřeboval deset arů. Na tak velkou deku, centimetr tlustou, vážící v suchém stavu tři metráky, by bylo dobré vzít s sebou i velblouda a možná i dva. Ten druhý by tahal lešení, na které by se to rozvěšovalo, protože jen tak položené na zemi, by to nefungovalo. Jednak se tam práší a málo fouká a do třetice, i když zařízení nepotřebuje rosný bod, sálavé teplo výkonnost snižuje. Američtí vědci uvádějí, že budou pracovat na zvýšení efektivnosti celého zařízení. K tomu by chtěli dospět prodloužením délky „chlupů“ kartáče. Sami ale říkají, že bude značně obtížné aby se jemná struktura nezačala hroutit. S nějakým brzkým zlomovým skokem ve výtěžnosti, počítat nejspíš nelze. Ještě větší problém lze očekávat s tím, co vědci sice uvádějí, ale nekomentují. Že totiž když svůj „pohár“ z nano-lesu trubek otočí vzhůru nohama, nic z něj nevyteče. Ani když je nacucaný na maximum (o 80 % své původní hmotnosti). Uvádějí to jako přednost. Pro praxi by to ale znamenalo, že vodu bude potřeba nějak vymačkávat, nebo získávat šetrným odstřeďováním, aby se jemné chloupky neulámaly či nepomačkaly do nefunkční masy. Takže k získávání té vody nějaká energie potřeba bude, a ne že ne. Nezodpovězeno také zůstává, kolik vody by se při manipulaci s obřími hektarovými košťaty vypařilo, než by se dostala k našim ústům. Ale ani to by nemusel být poslední problém. Kdo někdy, při cestě za hranice všedních dnů, musel na dovolené řešit své problémy Endiaronem, asi se nezbaví myšlenky, jaká že to voda bude? A jaký v tom parnu na vlhkém koštěti by za pár dnů nejspíš rostl blívajz. 

Literatura:
Sehmus Ozden a kol.: Anisotropically Functionalized Carbon Nanotube Array Based Hygroscopic Scaffolds, ACS Appl. Mater. Interfaces, pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/am5022717
Rice University