Mise au point d’un nouveau matériau capable d’extraire passivement l’eau de l’air
(blog.seas.upenn.edu)- Une équipe de l’Université de Pennsylvanie a découvert un matériau d’un nouveau genre capable d’extraire passivement l’eau présente dans l’air sans énergie externe
- Ce matériau repose sur une structure qui combine de façon unique des nanopores hydrophiles et un polymère hydrophobe, ce qui lui permet de piéger l’humidité de l’air dans les pores puis de la libérer à la surface
- Il exploite efficacement le phénomène de condensation capillaire, fonctionne même à faible humidité, et se distingue des matériaux existants par sa capacité à acheminer l’eau jusqu’à la surface au lieu de la laisser dans les pores
- Sa méthode de fabrication est relativement simple et peut être appliquée à un procédé extensible à l’échelle commerciale, ce qui ouvre des perspectives pour des dispositifs de collecte d’eau dans les régions arides ou pour le refroidissement d’appareils électroniques
- À l’avenir, les recherches porteront sur l’optimisation du rapport entre hydrophilie et hydrophobie ainsi que sur le passage à l’échelle pour des applications concrètes
Découverte d’un nouveau type de matériau nanostructuré
Des chercheurs en génie chimique de l’Université de Pennsylvanie ont découvert, grâce à une observation fortuite en laboratoire, un nouveau matériau nanostructuré capable de capter la vapeur d’eau de l’air et de la relâcher à la surface sous forme de gouttelettes, sans énergie externe
Cette recherche a été menée en collaboration avec des experts de plusieurs disciplines, et ce matériau pourrait ouvrir de nouvelles perspectives pour des applications variées, comme la collecte d’humidité dans les régions sèches ou le refroidissement d’appareils électroniques
Comprendre le principe grâce au processus de découverte
- Au début de l’étude, les chercheurs pensaient que le phénomène des gouttelettes formées à la surface était dû à des facteurs externes, comme des écarts de température dans les équipements expérimentaux, mais ils ont constaté que plus l’épaisseur du matériau augmentait, plus la quantité d’eau formée en surface augmentait également
- Cela a permis d’établir que, contrairement aux matériaux nanoporeux existants, l’eau condensée à l’intérieur du film se déplace jusqu’à la surface pour y apparaître sous forme de gouttelettes
Fonctionnement des nanopores
- Les méthodes traditionnelles de collecte d’eau nécessitent soit de basses températures, soit une forte humidité, soit un apport d’énergie externe pour refroidir la surface
- Mais ce nouveau matériau permet à la vapeur d’eau de se condenser à l’intérieur des nanopores même à faible humidité grâce à la condensation capillaire
- Mieux encore, l’humidité condensée ne reste pas piégée dans les pores mais migre vers la surface, où elle est libérée sous forme de gouttelettes
- Le fait que ces gouttelettes, malgré leur courbure et leur taille, présentent un taux d’évaporation extrêmement faible et puissent rester durablement et de façon stable à la surface, dépasse également les théories existantes
Vérification des principes fondamentaux et propriétés propres
- En confirmant la corrélation entre l’épaisseur du film et la quantité de gouttelettes à la surface, les chercheurs ont démontré que le phénomène observé n’était pas une condensation de surface, mais était lié à l’eau stockée à l’intérieur des pores
- Des équipes partenaires externes ont également reproduit le phénomène, attirant l’attention sur le potentiel de ce matériau nanostructuré particulier
Une combinaison de matériaux équilibrée et des perspectives d’application
- La définition du rapport de mélange précis entre nanoparticules hydrophiles et polyéthylène hydrophobe joue un rôle essentiel
- Un réservoir caché à l’intérieur des pores est connecté aux gouttelettes en surface, formant une boucle de rétroaction régénérative qui capture en continu l’humidité de l’air
- Ce matériau est facile à produire en grande quantité à partir de polymères et de nanoparticules courants
- Il existe des possibilités d’applications industrielles variées, notamment pour la collecte d’eau dans les régions arides, les surfaces de refroidissement pour appareils électroniques et bâtiments, ou encore les revêtements réagissant à l’humidité
Orientations futures de la recherche et effets attendus
- Des travaux supplémentaires restent nécessaires pour préciser le mécanisme de fonctionnement, optimiser le rapport hydrophile/hydrophobe, passer à des applications réelles à grande échelle, et détacher les gouttelettes récoltées de la surface
- L’équipe de recherche s’inspire également de mécanismes par lesquels les systèmes biologiques gèrent efficacement l’eau pour les intégrer à la conception du matériau
- À long terme, cela pourrait déboucher sur un approvisionnement en eau propre pour les régions arides ou sur le développement de technologies de refroidissement écologiques fonctionnant uniquement grâce à l’évaporation de l’eau
Soutien à la recherche
- Cette recherche a été menée avec le soutien de plusieurs organismes, dont la National Science Foundation (NSF), le département de l’Énergie des États-Unis et la fondation Alfred P. Sloan
1 commentaires
Avis Hacker News
Un nouveau matériau nanostructuré serait capable d’attirer, de rassembler et de relâcher à sa surface l’eau présente dans l’air sans énergie externe, ce qui me donne l’impression d’un genre de sachet déshumidificateur high-tech. Des sachets contenant du chlorure de calcium comme le Wisesorb Moisture Eliminator absorbent l’humidité de l’air non saturé et forment des gouttelettes, mais après usage il faut en racheter ou les faire bouillir pour les régénérer. Avec ce nouveau matériau, les gouttelettes adhèrent au matériau et il faut de l’énergie pour les retirer. L’eau ne se met pas simplement à tomber au fond d’un récipient comme par magie. On peut essuyer les gouttes avec un essuie-tout, mais il faut ensuite à nouveau de l’énergie pour extraire l’eau du papier. Et l’expression « défie les lois de la physique » n’est pas appropriée ; à mon avis, les équipes de communication des universités et les journalistes tech devraient apprendre à vérifier deux ou trois fois auprès des auteurs et d’experts indépendants dès qu’ils pensent que les lois de la physique ont été violées. La formulation trompeuse et le titre viennent tous deux du communiqué de l’université
C’est un travail de recherche en cours, et ce matériau montre une possibilité un peu différente des sachets déshumidificateurs jetables type Thirsty Hippos. Les points corrects sont que (1) il ne viole pas les lois de la physique et que (2) il faut toujours de l’énergie pour retirer les gouttelettes. Cela dit, si les gouttes migrent vers la surface, l’énergie nécessaire pour les libérer pourrait être bien plus faible que dans les méthodes actives de déshumidification existantes, comme les modules Peltier. À titre de référence, Thirsty Hippo est un super silica gel assez efficace dans les petits espaces
Merci pour l’explication. En lisant seulement le titre de l’article au départ, j’ai cru que quelqu’un pensait avoir découvert un mouvement perpétuel
Dans une publication à laquelle j’ai participé, quand nous recevions des documents de RP universitaire, nous communiquions directement avec eux
Il est absolument impossible de violer les lois de la physique. Si elles semblent fausses, c’est que c’est notre compréhension qui est erronée. De la même façon, « défier » les lois est impossible : l’univers ne peut faire que ce qu’il autorise
Dans l’article scientifique : « Toutes les mesures ont été maintenues à 20°±0.2°C à l’aide d’un système de circulation d’air, et la température du film était contrôlée par une unité de chauffage/refroidissement lorsque nécessaire. » Autrement dit, la chaleur latente est transférée vers un dispositif de refroidissement, et le fait de ne pas le dire explicitement donne l’impression qu’on cherche à rendre le résultat plus spectaculaire
Un autre passage notable de l’article : « Lorsque la taille des NP est inférieure ou égale à 22 nm, que l’humidité relative dépasse approximativement 90 % et que ϕPE est compris entre 0.05 et 0.35, des gouttelettes macroscopiques se forment de manière isotherme » ; « les premières gouttelettes visibles en microscopie optique (taille d’environ 1 μm) apparaissent quelques secondes après une exposition à une humidité relative de 97 % ». L’air est vraiment dans un état presque au point de rosée. Les gens se focalisent trop sur la « violation de la physique », alors qu’en réalité il s’agit d’une amélioration progressive d’un phénomène naturel
Maintenir la température constante avec un thermostat n’a rien de problématique. Si la surface était maintenue plus froide que l’air ambiant, sous le point de rosée, cela expliquerait le phénomène, mais d’après l’article, cela ne semble pas être le cas. Ils affirment essentiellement que des gouttelettes macroscopiques se forment spontanément à partir d’une vapeur sous-saturée, ce qui n’est pas autorisé par le deuxième principe de la thermodynamique
Avec l’explication, je comprends mieux. Au lieu de parler comme si cela violait la physique, j’aurais préféré qu’on se concentre sur ce que cela améliore réellement. À mon avis, ce matériau peut fonctionner à plus haute température, et si la température ambiante est basse, la chaleur latente peut être dissipée passivement. Même avec une pompe à chaleur active, on pourrait obtenir un processus plus efficace à haute température. Dans un système fermé, on atteindrait un équilibre à terme, mais il n’est pas nécessaire qu’il soit complètement fermé
Cette recherche se distingue par le fait que, contrairement aux techniques d’adsorption existantes, elle pourrait continuer à extraire de l’eau de l’air sans changement de mécanisme. Si l’on pouvait probablement déposer ce matériau sur de l’aluminium pour transférer la chaleur latente, on pourrait imaginer un système produisant continuellement de l’eau sans énergie supplémentaire. Il suffirait de placer dans une zone ombragée un cube d’ailettes fait de ce matériau, avec un seau de collecte en dessous. Il serait intéressant de fabriquer réellement un tel dispositif et de mesurer combien de litres il peut produire par jour selon les conditions. En particulier, un dispositif passif capable d’extraire l’humidité de l’air sans énergie pourrait aussi servir à sauver des vies dans des situations dangereuses, notamment liées au phénomène de température humide
Le fait que la chaleur latente soit réellement transférée vers un dispositif de refroidissement a peut-être été passé sous silence pour accentuer l’effet spectaculaire, mais si dans ce processus le matériau devient plus chaud que l’air ambiant, ce serait inhabituel. En général, pour extraire l’humidité, il faut plutôt abaisser davantage la température. Même si ce n’est pas idéal pour mesurer la quantité maximale d’eau extraite, refroidir jusqu’au niveau de la température ambiante est une tâche bien plus facile
À moins qu’un avertissement vraiment crucial ne soit caché quelque part dans l’article, ce qu’ils avancent semble incompatible avec le deuxième principe de la thermodynamique. Ils affirment que des gouttelettes se forment sur la surface d’un nanomatériau dans un état <i>isotherme</i> et avec une <i>humidité relative inférieure à 100 %</i>. C’est thermodynamiquement impossible. Dans ces conditions, la condensation ne peut se produire qu’à l’intérieur de surfaces concaves, donc dans les pores, et il est impossible de former des gouttes convexes sur une surface plane. L’explication de l’article selon laquelle un « composant hydrophile peut expulser l’eau » est absurde. Pour que l’eau s’accumule dans des pores concaves puis passe à des gouttes convexes, la pression de l’eau devrait être à la fois positive et négative en même temps, ce qui est impossible. À mon avis, l’une des trois explications suivantes est correcte : 1) surface contaminée 2) mauvaise mesure de l’humidité relative 3) plaque de refroidissement plus froide que l’environnement non mentionnée. Lien vers l’article
Repost d’il y a 4 jours : lien vers les commentaires HN, et ils font une promotion très exagérée comme si cela violait la thermodynamique. Ce n’est évidemment pas le cas, et les déshumidificateurs extraient déjà assez d’eau avec l’efficacité existante, donc il devrait y avoir un autre avantage. Mais lequel, ce n’est pas clair
Je ne suis pas d’accord avec l’idée que « les déshumidificateurs extraient déjà suffisamment d’eau de l’air en payant le coût énergétique ». En pratique, les déshumidificateurs à condensation coûtent autant en électricité qu’un climatiseur, rejettent aussi de la chaleur non désirée et sont bruyants. Les déshumidificateurs à dessiccant sont encore moins efficaces. S’il existe un moyen de retirer l’humidité avec moins d’énergie et moins de bruit, ce serait un changement énorme
En réalité, cela ne semble pas violer la thermodynamique. Cela ne veut pas dire non plus qu’il faille théoriquement la violer pour condenser la vapeur d’eau présente dans l’atmosphère. Selon l’article, « [lorsque des PINF nanoporeux hydrogénophiles sont exposés à un environnement dont l’humidité est inférieure à 100 %, on observe la formation spontanée de gouttelettes macroscopiques à la surface sans refroidissement] » Lien vers l’article
L’idée ici est qu’on pourrait extraire l’eau sans refroidir l’air. Le matériau capte d’abord l’humidité, chauffe légèrement, puis cette chaleur est à son tour rayonnée passivement vers l’extérieur. Si l’ensemble était un système fermé, un équilibre finirait par s’établir, mais le point distinctif est justement qu’il n’a pas besoin d’être fermé
À la question « ne devrait-il pas y avoir quelque chose de plus intéressant ? », la réponse qui me vient est : des Windtraps, autrement dit les pièges à vent de Dune
Il y a des commentaires similaires en doublon, donc les commentaires vont être fusionnés pour référence
Si cette technologie devient vraiment pratique, les applications seraient innombrables. On pourrait en placer un à côté de chaque arbre ou le long de chaque rang de culture. En intérieur, combiné à la climatisation, cela pourrait faciliter l’efficacité du refroidissement et la gestion de l’humidité. On pourrait aussi récolter de l’eau en montagne ou sur de grands immeubles pour de la petite hydroélectricité. Cela pourrait même servir à compenser l’évaporation des piscines
Je me demande si cela pourrait permettre une bonne méthode de dessalement. On ferait évaporer de l’eau de mer dans l’air d’un système fermé jusqu’à saturation, puis on utiliserait ce matériau pour récolter l’eau
Je regrette qu’ils aient utilisé l’expression « viole les lois de la physique ». Cette recherche constitue une découverte importante pour les systèmes de condensation de l’eau, mais les formulations exagérées du type « sans besoin d’énergie externe » sont irresponsables. À mon avis, ils ont peut-être créé quelque chose de similaire à un cliquet brownien. On dit toujours qu’aucune énergie externe n’est nécessaire, mais quand on regarde de près il y a finalement une différence de température, et maintenir cet écart exige une énergie externe. Il est probable que le matériau soit plus froid que l’air, ou que l’humidité entrante soit plus chaude que l’environnement. Il peut aussi exister un gradient de température à l’intérieur du matériau, ou l’éclairage du labo peut chauffer davantage une face. En réalité, beaucoup de dispositifs passifs dépendent de l’écart de température entre le jour et la nuit, et cette énergie vient au bout du compte du soleil. L’article dit qu’ils ont augmenté l’épaisseur du matériau pour éliminer le gradient thermique, mais je ne comprends pas bien pourquoi. Si personne n’a délibérément injecté de l’énergie, ce matériau serait assez efficace — s’ils n’ont vraiment pas utilisé d’échantillon réfrigéré — et malgré cela, il est dommage qu’il faille le présenter comme un mouvement perpétuel pour attirer l’attention du public
Je comprends moi aussi que les universités aient parfois besoin de créer un peu de buzz, mais je pense que des mots comme « Passively Harvest » et « Defies Physics » doivent être employés avec une extrême prudence en contexte scientifique. Je n’attends pas d’un billet de blog le niveau de rigueur d’une relecture par les pairs, mais au final ce type de vocabulaire nuit à la science. Croire qu’un matériau magique pourrait enfreindre le deuxième principe de la thermodynamique relève plus de l’alchimie que de la chimie
Le PET est un isolant plutôt correct, et les expérimentateurs semblent avoir voulu vérifier si l’écart de température était ou non la cause de la condensation. S’ils ont probablement bien contrôlé à la fois la température et l’humidité, cela pourrait signifier que le matériau lui-même devient plus chaud, et même dans ce cas ce serait un problème qu’on pourrait résoudre par refroidissement passif avec un radiateur. Le phénomène décrit dans cet article, s’il se confirme réellement, pourrait constituer une innovation assez majeure et paraît suffisamment crédible
Retirer de l’eau de l’atmosphère à grande échelle pourrait être catastrophique pour les régimes climatiques de la Terre. Si un pays aspirait trop d’eau, il pourrait empêcher la pluie de tomber dans un autre
Cette technologie en elle-même est assez fascinante. À grande échelle, c’est comme si elle remplaçait le delta thermodynamique du cycle condensation-évaporation, habituellement assuré par le climat, par les propriétés du matériau. Si l’on peut ajuster librement la taille des pores, on pourrait contrôler à volonté l’équilibre entrée/sortie d’eau dans un réservoir de stockage. On pourrait par exemple l’appliquer à des vêtements intelligents : ouvrir davantage les pores quand il fait chaud pour libérer plus d’eau, et les réduire quand il fait froid pour limiter l’évaporation. J’aimerais simplement que l’article évite l’expression « viole la physique »
Ce que les gens devraient absolument savoir, c’est que les lois de la physique imposent que l’énergie minimale nécessaire pour séparer l’eau de l’air est bien plus élevée que celle requise pour séparer l’eau d’une saumure. C’est pour cela que le dessalement sera toujours plus efficace que la récolte d’eau atmosphérique