Die überwiegende Mehrheit der absorbierenden Materialien verliert ihre Fähigkeit, Wasser zurückzuhalten, wenn die Temperaturen steigen. Deshalb beginnt unsere Haut zu schwitzen und Pflanzen trocknen in der Hitze aus. Selbst Materialien, die Feuchtigkeit aufsaugen sollen, wie die Silikagelpackungen in Verbraucherverpackungen, verlieren ihre schwammartigen Eigenschaften, wenn sich ihre Umgebung erwärmt.
Aber ein Material scheint den Trocknungseffekten der Hitze auf einzigartige Weise zu widerstehen. MIT-Ingenieure haben jetzt herausgefunden, dass Polyethylenglykol (PEG) – ein Hydrogel, das üblicherweise in kosmetischen Cremes, Industriebeschichtungen und pharmazeutischen Kapseln verwendet wird – selbst bei steigenden Temperaturen Feuchtigkeit aus der Atmosphäre absorbieren kann.
Das Material verdoppelt seine Wasseraufnahme, wenn die Temperaturen von 25 auf 50 Grad Celsius (77 auf 122 Grad Fahrenheit) steigen, berichtet das Team.
Die Widerstandsfähigkeit von PEG beruht auf einer hitzeauslösenden Umwandlung. Wenn sich die Umgebung erwärmt, verwandelt sich die Mikrostruktur des Hydrogels von einem Kristall in eine weniger organisierte „amorphe“ Phase, wodurch die Fähigkeit des Materials, Wasser einzufangen, verbessert wird.
Basierend auf den einzigartigen Eigenschaften von PEG entwickelte das Team ein Modell, das zur Konstruktion anderer hitzebeständiger, wasserabsorbierender Materialien verwendet werden kann. Die Gruppe stellt sich vor, dass solche Materialien eines Tages zu Geräten verarbeitet werden könnten, die Feuchtigkeit aus der Luft für Trinkwasser gewinnen, insbesondere in trockenen Wüstenregionen. Die Materialien könnten auch in Wärmepumpen und Klimaanlagen eingebaut werden, um Temperatur und Luftfeuchtigkeit effizienter zu regulieren.
„Ein großer Teil des Energieverbrauchs in Gebäuden wird für die Wärmeregulierung verwendet“, sagt Lenan Zhang, Forschungswissenschaftler am Department of Mechanical Engineering des MIT. „Dieses Material könnte eine Schlüsselkomponente von passiven Klimatisierungssystemen sein.“
Zhang und seine Kollegen beschreiben ihre Arbeit in einer Studie, die heute in erscheint Fortgeschrittene Werkstoffe. Zu den Mitautoren des MIT gehören Xinyue Liu, Bachir El Fil, Carlos Diaz-Marin, Yang Zhong, Xiangyu Li und Evelyn Wang sowie Shaoting Lin von der Michigan State University.
Gegen die Intuition
Die Gruppe von Evelyn Wang im Device Research Lab des MIT zielt darauf ab, die Herausforderungen im Bereich Energie und Wasser durch die Entwicklung neuer Materialien und Geräte anzugehen, die Wasser und Wärme nachhaltig verwalten. Das Team entdeckte die ungewöhnlichen Eigenschaften von PEG, als es eine Reihe ähnlicher Hydrogele auf ihre Wassersammelfähigkeiten untersuchte.
„Wir suchten nach einem Hochleistungsmaterial, das Wasser für verschiedene Anwendungen einfangen kann“, sagt Zhang. „Hydrogele sind ein perfekter Kandidat, weil sie größtenteils aus Wasser und einem Polymernetzwerk bestehen. Sie können sich bei der Wasseraufnahme gleichzeitig ausdehnen und sind daher ideal für die Regulierung von Feuchtigkeit und Wasserdampf.“
Das Team analysierte eine Vielzahl von Hydrogelen, einschließlich PEG, indem es jedes Material auf eine Waage legte, die in einer klimatisierten Kammer aufgestellt war. Ein Material wurde schwerer, je mehr Feuchtigkeit es aufnahm. Indem sie das sich ändernde Gewicht eines Materials aufzeichneten, konnten die Forscher seine Fähigkeit verfolgen, Feuchtigkeit zu absorbieren, während sie die Temperatur und Luftfeuchtigkeit der Kammer abstimmten.
Was sie beobachteten, war typisch für die meisten Materialien: Mit steigender Temperatur nahm die Fähigkeit der Hyrogele ab, Feuchtigkeit aus der Luft aufzunehmen. Der Grund für diese Temperaturabhängigkeit ist gut bekannt: Mit Wärme kommt Bewegung, und bei höheren Temperaturen bewegen sich Wassermoleküle schneller und sind daher in den meisten Materialien schwieriger einzudämmen.
„Unsere Intuition sagt uns, dass Materialien bei höheren Temperaturen ihre Fähigkeit verlieren, Wasser einzufangen“, sagt Co-Autorin Xinyue Liu. „Wir waren also sehr überrascht von PEG, weil es diese umgekehrte Beziehung hat.“
Tatsächlich fanden sie heraus, dass PEG schwerer wurde und weiterhin Wasser absorbierte, als die Forscher die Temperatur der Kammer von 25 auf 50 Grad Celsius erhöhten.
„Zuerst dachten wir, wir hätten einige Fehler gemessen und dachten, das könne nicht möglich sein“, sagt Liu. „Nachdem wir überprüft hatten, dass im Experiment alles korrekt war, stellten wir fest, dass dies wirklich passierte, und dies ist das einzige bekannte Material, das bei höheren Temperaturen eine zunehmende Wasserabsorptionsfähigkeit zeigt.“
Ein glücklicher Fang
Die Gruppe konzentrierte sich auf PEG, um den Grund für seine ungewöhnliche, hitzebeständige Leistung zu ermitteln. Sie fanden heraus, dass das Material einen natürlichen Schmelzpunkt von etwa 50 Grad Celsius hat, was bedeutet, dass die normalerweise kristallartige Mikrostruktur des Hydrogels vollständig zusammenbricht und sich in eine amorphe Phase umwandelt. Zhang sagt, dass diese geschmolzene, amorphe Phase den Polymeren im Material mehr Möglichkeiten bietet, sich schnell bewegende Wassermoleküle festzuhalten.
„In der Kristallphase stehen möglicherweise nur wenige Stellen auf einem Polymer zur Verfügung, um Wasser anzuziehen und zu binden“, sagt Zhang. „Aber in der amorphen Phase stehen möglicherweise viel mehr Stellen zur Verfügung. Die Gesamtleistung kann also mit steigender Temperatur steigen.“
Das Team entwickelte dann eine Theorie, um vorherzusagen, wie Hydrogele Wasser absorbieren, und zeigte, dass die Theorie auch das ungewöhnliche Verhalten von PEG erklären könnte, wenn die Forscher der Theorie einen „fehlenden Begriff“ hinzufügten. Dieser fehlende Term war der Effekt der Phasentransformation. Sie fanden heraus, dass die Theorie das Verhalten von PEG zusammen mit dem anderer temperaturbegrenzender Hydrogele vorhersagen könnte, wenn sie diesen Effekt einbeziehen.
Die Entdeckung der einzigartigen Eigenschaften von PEG war zum großen Teil zufällig. Die Schmelztemperatur des Materials liegt zufällig in dem Bereich, in dem Wasser eine Flüssigkeit ist, wodurch sie die Phasenumwandlung von PEG und das daraus resultierende Super-Soaking-Verhalten abfangen können. Die anderen Hydrogele haben Schmelztemperaturen, die außerhalb dieses Bereichs liegen. Aber die Forscher vermuten, dass auch diese Materialien zu ähnlichen Phasenumwandlungen fähig sind, wenn sie ihre Schmelztemperatur erreichen.
„Andere Polymere könnten theoretisch dasselbe Verhalten zeigen, wenn wir ihre Schmelzpunkte innerhalb eines ausgewählten Temperaturbereichs manipulieren können“, sagt Teammitglied Shaoting Lin.
Nachdem die Gruppe nun eine Theorie ausgearbeitet hat, wollen sie diese als Blaupause verwenden, um Materialien zu entwickeln, die speziell für das Einfangen von Wasser bei höheren Temperaturen geeignet sind.
„Wir wollen unser Design so anpassen, dass ein Material bei niedriger Luftfeuchtigkeit und hohen Temperaturen relativ viel Wasser aufnehmen kann“, sagt Liu. „Dann könnte es für die atmosphärische Wassergewinnung verwendet werden, um Menschen in heißen, trockenen Umgebungen Trinkwasser zu liefern.“
Mehr Informationen:
Xinyue Liu et al, Ungewöhnliche Temperaturabhängigkeit der Wassersorption in halbkristallinen Hydrogelen, Fortgeschrittene Werkstoffe (2023). DOI: 10.1002/adma.202211763
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