MITの技術者たちは、乾燥地域でも空気中の水分を吸収できる、超吸水性のゲルを開発しました。
このゲルは、塩分子を混ぜ込んだ架橋ポリマーでできています。ゲルが水蒸気に触れると、塩分子が水分子を引き寄せ、ゲルの中に取り込みます。
つまり、少量のゲルであっても、乾燥地域でかなりの量の水を得られる可能性があります。
MITの技術者たちは、砂漠のような環境でも空気中から記録的な量の水分を吸収できる、超吸水性素材を合成しました。
この素材は水蒸気を吸収すると膨張し、さらに水分を取り込むための空間を作ります。相対湿度が30％の非常に乾燥した環境でも、空気中から水蒸気を吸収し、漏らさずに水分を保持できます。その後、水を加熱して凝縮させ、超純水として回収できます。
透明でゴムのようなこの素材は、天然の吸水性素材で、おむつにも使われるハイドロゲルでできています。研究チームは、強力な乾燥剤として知られる塩の一種、塩化リチウムを混ぜ込むことで、ハイドロゲルの吸水性を高めました。
研究者たちは、先行研究で可能だった量を超える塩をハイドロゲルに混ぜ込めることを発見しました。その結果、塩を含むゲルは、ほかの素材設計では対応できなかった非常に乾燥した環境を含む、さまざまな湿度条件で、これまでにない量の水分を吸収し、保持することが確認されました。
短時間で大量に製造できれば、この超吸水性ゲルは、特に砂漠や干ばつが起きやすい地域で、受動的に水を集める素材として利用できる可能性があります。素材が水蒸気を継続的に吸収し、それを凝縮して飲料水にできます。研究者たちはまた、省エネ型の除湿部材としてエアコンに取り付けることも構想しています。
「私たちは主に素材の基本的な性質に注目してきたという意味で、用途を限定せずに研究してきました」と、MITの機械工学専攻の大学院生で、Device Research Labのメンバーであるカルロス・ディアス＝マリン氏は述べます。「しかし今は、エアコンの効率を高める方法や、水を集める方法など、まったく異なる課題にも幅広く取り組んでいます。この素材は低コストで性能が高く、大きな可能性を秘めています」
ディアス＝マリン氏らは、研究成果をまとめた論文をAdvanced Materials誌に本日発表しました。論文のMIT側の共著者は、グスタフ・グレーバー、レオン・ガウグラー、ヤン・ジョン、バシル・エル・フィル、シンユエ・リウ、エブリン・ワンです。
「両方の長所を兼ね備える」
MITのDevice Research Labでは、世界のエネルギーと水の課題を解決するため、新素材の設計に取り組んでいます。空気中から水を集める素材を探す中で、研究チームが着目したのはハイドロゲルでした。ハイドロゲルは、主に水と少量の架橋ポリマーからできた、滑らかで伸縮性のあるゲルです。素材に触れると膨張して大量の水を吸収できるため、長年にわたり、おむつの吸水材として使われてきました。
「私たちの課題は、空気中の水蒸気を吸収する場合にも、同じようにうまく機能させるにはどうすればよいか、ということでした」とディアス＝マリン氏は語ります。
同氏と同僚たちは文献を調べ、ハイドロゲルにさまざまな塩を混ぜる実験が行われていることを知りました。氷を溶かすのに使う岩塩など、特定の塩は水蒸気を含む水分を非常に効率よく吸収します。その中でも特に優れているのが塩化リチウムで、自重の10倍を超える水分を吸収できます。塩化リチウムをそのまま山積みにしても空気中の水蒸気を引き寄せますが、水分は塩の周囲にたまるだけで、吸収した水を保持する手段はありません。
そこで研究者たちは、塩をハイドロゲルに混ぜ込み、水分を保持しながら、より多くの水を取り込めるよう膨張する素材の開発を試みてきました。
「両方の長所を兼ね備えています」と、現在ベルリンのフンボルト大学で主任研究員を務めるグレーバー氏は述べます。「ハイドロゲルは大量の水を蓄えられ、塩は大量の水蒸気を捉えられます。だから、この2つを組み合わせるのは自然な発想です」
塩の含有量を増やす
しかしMITの研究チームは、ゲルに混ぜ込める塩の量には限界があることを確認しました。それまで最も高い性能を示していた試料は、ポリマー1グラム当たり4～6グラムの塩を混ぜ込んだハイドロゲルでした。相対湿度30％の乾燥条件で、これらの試料は素材1グラム当たり約1.5グラムの水蒸気を吸収しました。
これまでの多くの研究では、ハイドロゲルを塩水に浸し、塩がゲルに染み込むのを待って試料を合成していました。工程に時間がかかるうえ、ゲルに取り込まれる塩の量も少ないと分かり、実験の大半は24～48時間で終了していました。得られた素材の水蒸気吸収能力を試験しても、そもそも水分を吸収する塩がほとんど含まれていなかったため、試料が吸収する水分はごくわずかでした。
素材の合成を数日、あるいは数週間続けたらどうなるでしょうか。十分な時間をかければ、ハイドロゲルはさらに多くの塩を吸収できるでしょうか。この疑問に答えるため、MITの研究チームは、一般的なハイドロゲルであるポリアクリルアミドと、超吸水性の塩である塩化リチウムを使って実験を行いました。標準的な混合法でハイドロゲルのチューブを合成した後、それを薄い円盤状に切り分け、塩濃度の異なる塩化リチウム溶液にそれぞれ浸しました。研究者たちは毎日、円盤を溶液から取り出して重さを量り、ゲルに取り込まれた塩の量を調べた後、再び溶液に戻しました。
最終的に、時間をかけるほどハイドロゲルがより多くの塩を取り込むことが確認されました。塩水に30日間浸したハイドロゲルは、ポリマー1グラム当たり最大24グラムの塩を取り込みました。それまでの記録は6グラムでした。
続いて研究チームは、塩を含むゲルのさまざまな試料を、幅広い湿度条件で吸収試験にかけました。試料は湿度を問わず、漏れることなく膨張して、より多くの水分を吸収できることが分かりました。特に、相対湿度30％の非常に乾燥した条件では、ゲルが素材1グラム当たり1.79グラムの水を取り込み、「記録を更新した」と研究チームは報告しています。
「砂漠なら、夜間はどこでも相対湿度がこれほど低くなるでしょう。ですから、この素材で砂漠の水を作れる可能性があります」とディアス＝マリン氏は語ります。同氏は現在、素材の超吸水性を高める方法を探しています。
「これほど単純な方法で、これまでに報告された中で最も高い水蒸気吸収量を達成できたことは、大きな驚きでした」とグレーバー氏は述べます。「今後は、速度論と、素材がどれだけ速く水を取り込めるかが主な焦点になります。それによって素材を非常に速く循環させられるようになり、水を1日に1回回収する代わりに、1日に24回ほど集められるかもしれません」
この研究は、米国エネルギー効率・再生可能エネルギー局とスイス国立科学財団の一部助成を受けて実施されました。
