Ingenieros del MIT han desarrollado un gel superabsorbente que puede captar la humedad del aire, incluso en regiones áridas.
El gel está hecho de un polímero reticulado impregnado de moléculas de sal. Cuando se expone al vapor de agua, las moléculas de sal atraen las moléculas de agua y las incorporan al gel.
Esto significa que una pequeña cantidad de gel podría proporcionar una cantidad considerable de agua en regiones áridas.
Ingenieros del MIT han sintetizado un material superabsorbente capaz de captar una cantidad récord de humedad del aire, incluso en condiciones similares a las del desierto.
A medida que el material absorbe vapor de agua, puede hincharse para dar cabida a más humedad. Incluso en condiciones muy secas, con una humedad relativa del 30 %, el material puede extraer vapor del aire y retener la humedad sin que haya fugas. Después, el agua podría calentarse y condensarse para recogerla como agua ultrapura.
El material transparente y gomoso está hecho de hidrogel, un material naturalmente absorbente que también se usa en pañales desechables. El equipo mejoró la capacidad de absorción del hidrogel al impregnarlo con cloruro de litio, un tipo de sal conocido por ser un potente desecante.
Los investigadores descubrieron que podían impregnar el hidrogel con más sal de lo que había sido posible en estudios anteriores. Como resultado, observaron que el gel cargado de sal absorbía y retenía una cantidad sin precedentes de humedad en distintos niveles de humedad, incluidas condiciones muy secas que habían limitado el diseño de otros materiales.
Si se puede fabricar rápidamente y a gran escala, el gel superabsorbente podría utilizarse para recolectar agua de forma pasiva, en particular en el desierto y en regiones propensas a la sequía, donde el material podría absorber vapor de manera continua para luego condensarlo y convertirlo en agua potable. Los investigadores también prevén que el material pueda instalarse en unidades de aire acondicionado como elemento deshumidificador que ahorre energía.
«Hemos mantenido una postura neutral respecto a las aplicaciones, en el sentido de que nos centramos sobre todo en las propiedades fundamentales del material», afirma Carlos Díaz-Marin, estudiante de posgrado en ingeniería mecánica y miembro del Device Research Lab del MIT. «Pero ahora estamos explorando problemas muy distintos, como cómo hacer que el aire acondicionado sea más eficiente y cómo recolectar agua. Este material tiene muchísimo potencial por su bajo costo y su alto rendimiento».
Díaz-Marin y sus colegas han publicado sus resultados en un artículo que aparece hoy en Advanced Materials. Los coautores del estudio en el MIT son Gustav Graeber, Leon Gaugler, Yang Zhong, Bachir El Fil, Xinyue Liu y Evelyn Wang.
«Lo mejor de ambos mundos»
En el Device Research Lab del MIT, los investigadores diseñan materiales novedosos para resolver los desafíos energéticos e hídricos del mundo. Al buscar materiales que puedan ayudar a recolectar agua del aire, el equipo se centró en los hidrogeles: geles resbaladizos y elásticos compuestos en su mayor parte por agua y una pequeña cantidad de polímero reticulado. Desde hace años se usan hidrogeles como material absorbente en pañales, porque pueden hincharse y captar una gran cantidad de agua al entrar en contacto con ella.
«Nos preguntábamos cómo lograr que esto funcionara igual de bien para absorber vapor del aire», dice Díaz-Marin.
Él y sus colegas revisaron la bibliografía y descubrieron que otros investigadores habían experimentado mezclando hidrogeles con distintas sales. Algunas sales, como la sal gema que se usa para derretir el hielo, son muy eficaces para absorber humedad, incluido el vapor de agua. La más eficaz es el cloruro de litio, una sal capaz de absorber una cantidad de humedad superior a 10 veces su propio peso. Si se deja en un montón por sí sola, el cloruro de litio puede atraer vapor del aire, aunque la humedad solo se acumularía alrededor de la sal, sin ningún medio para retener el agua absorbida.
Por eso, los investigadores han intentado incorporar la sal al hidrogel, para producir un material que pueda retener la humedad y, a la vez, hincharse para dar cabida a más agua.
«Es lo mejor de ambos mundos», dice Graeber, quien ahora es investigador principal en la Universidad Humboldt de Berlín. «El hidrogel puede almacenar mucha agua y la sal puede captar mucho vapor. Así que es intuitivo querer combinar ambos».
Tiempo de carga
Sin embargo, el equipo del MIT descubrió que otros investigadores habían llegado a un límite en la cantidad de sal que podían cargar en sus geles. Las muestras de mejor rendimiento hasta la fecha eran hidrogeles impregnados con entre 4 y 6 gramos de sal por gramo de polímero. En condiciones secas, con una humedad relativa del 30 %, estas muestras absorbieron alrededor de 1,5 gramos de vapor por gramo de material.
En la mayoría de los estudios, los investigadores habían sintetizado las muestras sumergiendo hidrogeles en agua salada y esperando a que la sal se incorporara a los geles. La mayoría de los experimentos concluía después de entre 24 y 48 horas, porque los investigadores consideraban que el proceso era demasiado lento y que apenas quedaba sal en los geles. Al probar la capacidad del material resultante para absorber vapor de agua, las muestras captaron muy poco, ya que apenas contenían sal para absorber la humedad desde el principio.
¿Qué pasaría si se dejara continuar la síntesis del material durante días e incluso semanas? ¿Podría un hidrogel absorber aún más sal si se le diera suficiente tiempo? Para averiguarlo, el equipo del MIT realizó experimentos con poliacrilamida (un hidrogel común) y cloruro de litio (una sal superabsorbente). Tras sintetizar tubos de hidrogel mediante métodos estándar de mezcla, los investigadores cortaron los tubos en discos delgados y colocaron cada disco en una solución de cloruro de litio con una concentración de sal distinta. Cada día sacaban los discos de la solución para pesarlos y determinar la cantidad de sal que se había incorporado a los geles; luego los devolvían a sus soluciones.
Al final, descubrieron que, efectivamente, con más tiempo los hidrogeles absorbían más sal. Tras permanecer 30 días en una solución salina, los hidrogeles incorporaron hasta 24 gramos de sal por gramo de polímero, frente al récord anterior de 6 gramos.
Luego, el equipo sometió varias muestras de los geles cargados de sal a pruebas de absorción en distintos niveles de humedad. Descubrieron que las muestras podían hincharse y absorber más humedad en todos los niveles, sin fugas. En particular, el equipo informa que, en condiciones muy secas, con una humedad relativa del 30 %, los geles captaron una cantidad «récord» de 1,79 gramos de agua por gramo de material.
«Cualquier desierto tendría una humedad relativa tan baja durante la noche, así que, en teoría, este material podría producir agua en el desierto», dice Díaz-Marin, quien ahora busca formas de acelerar las propiedades superabsorbentes del material.
«La gran sorpresa inesperada fue que, con un enfoque tan sencillo, logramos la mayor absorción de vapor registrada hasta la fecha», dice Graeber. «Ahora, el foco principal estará en la cinética y en la rapidez con la que podemos hacer que el material absorba agua. Eso permitirá hacer ciclos con este material muy rápidamente, de modo que, en lugar de recuperar agua una vez al día, se podría recolectar agua quizá 24 veces al día».
Esta investigación recibió apoyo, en parte, de la Oficina de Eficiencia Energética y Energías Renovables de Estados Unidos y de la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia.
