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空気から水を受動的に収集できる新しい材料のクラス

364日前原文(blog.seas.upenn.edu)

概要

  • Penn Engineeringの化学工学ラボで偶然発見された新しいナノ構造材料
  • 外部エネルギー不要で空気中から水を集め、表面に放出する特性
  • 水収集や電子機器冷却、建物冷却などへの応用可能性
  • 水分子の凝縮・放出サイクルが従来材料と異なる現象
  • シンプルな構造と量産性で実用化への期待

ペンシルベニア大学で発見された新ナノ材料：空気中の水を集める革新技術

  • Penn Engineering の化学工学ラボで偶然観察された新しいナノ構造材料の発見
  • Science Advances に研究成果を発表した多分野合同チーム
    • Daeyeon Lee、Amish Patel、Baekmin Kim（筆頭著者）、Stefan Guldinらによる共同研究
  • この材料は 外部エネルギー不要 で空気中の水分を吸着し、ナノ細孔内に集め、表面へ放出する機能
  • 乾燥地での水収集や電子機器・建物の冷却技術への応用可能性
  • 偶然の発見 から始まった研究経緯
    • 本来は別の実験中、材料表面に水滴が現れる現象をR Bharath Venkateshが発見
    • 疑問から詳細な解析を開始し、両親媒性ナノ多孔質材料の新しい挙動を解明

新規両親媒性ナノ多孔質材料の特性

  • 親水性ナノポア と 疎水性ポリマー がナノスケールで組み合わさった構造
  • 空気中の水蒸気をナノ細孔内で凝縮し、表面へ水滴として排出
  • 従来のナノ多孔質材料では水は細孔内にとどまるが、本材料は表面へ移動
  • 毛管凝縮 を利用し、低湿度でも水分を集める仕組み
  • 水滴が表面に現れても蒸発せず、安定して存在する現象
  • 材料の厚みを変えると集められる水量が増加し、現象の原因を特定

物理法則に挑戦する現象とその検証

  • 初期は実験装置の温度勾配などのアーティファクトを疑い、材料厚みで実験
  • 水滴の安定性や蒸発しない現象は従来の熱力学則に反するもの
  • 他研究機関（Stefan Guldinグループ）でも同様の現象を再現し、信頼性を確認
  • 電子顕微鏡下でナノポア内の水滴形成と補充の様子を観察

凝縮と放出の安定サイクル

  • 親水性ナノ粒子と疎水性ポリエチレンの最適バランスで特殊なナノ粒子膜を実現
  • 水滴は細孔内の「隠れたリザーバー」と繋がり、空気中の水蒸気で常に補充
  • 親水性・疎水性材料の絶妙なバランスによるフィードバックループ

今後の展望と応用可能性

  • 一般的なポリマーとナノ粒子 を使い、量産可能な製造法でシンプルな構成
  • 乾燥地向けの パッシブ水収集デバイス、電子機器冷却、スマートコーティングなど多様な応用
  • 生物学的な水分管理機構を参考に、最適設計を目指す研究継続
  • Penn Engineeringの異分野連携による問題解決力を強調
  • 今後は親水性・疎水性成分バランスの最適化、大規模化、効率的な水滴除去方法の研究を進行
  • 最終的には乾燥地へのクリーンな水供給や持続可能な冷却技術への貢献を目指す

研究支援・助成情報

  • 本研究は National Science Foundation （NSF-2309043, NSF-1933704）、 Department of Energy （DE-SC0021241）、 Semilab UCL Chemical Engineering Impact Ph.D. Studentship、 National Science Foundation Graduate Research Fellowships Program （DGE-2236662）、 Alfred P. Sloan Research Foundation （FG-2017-9406）、 Camille & Henry Dreyfus Foundation （TG-19-033）などから支援

Hackerたちの意見

空気中の水を引き寄せて、孔に集め、外部エネルギーなしで表面に放出できる新しいナノ構造材料のクラス。 似たようなコメントがあったけど、高性能の除湿バッグみたいな感じだね。 https://www.amazon.com/Wisesorb-Moisture-Eliminator-Fragranc... このバッグには塩化カルシウムが入ってて、飽和していない空気から水を吸収して小さな水滴を作るんだ。 当然、使い切っちゃうから、もう一度使うには新しいのを買うか、全部の水を沸かして結晶を取り戻さないといけない。 この新しい材料では、水滴が材料にくっついてるから、取り除くにはエネルギーを使わないといけない。 自動的に下のバケツに落ちるわけじゃないんだよね。 エネルギーなしで水を「収穫」することはできない。 ペーパータオルで水滴を拭き取ることはできるけど、今度はそのペーパータオルから水を取り除くのにエネルギーが必要になる。 > 物理法則に逆らう可能性のある材料を手にしている。 これは物理法則を破ってるわけじゃないよ。 大学のPR部門には、物理法則が破られてると思うなら、著者に確認して、さらに別の独立した専門家にも確認する短いコースを受けてほしい。 テックジャーナリストも同じコースを受けるべきだね。 悪い文章と誤解を招くタイトルは大学から出てるんだから。 https://blog.seas.upenn.edu/penn-engineers-discover-a-new-cl...

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僕が関わってた出版物が大学のPR記事をもらったとき、彼らは直接コミュニケーションをとってたよ。

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まだ研究中だけど、これは使い捨ての除湿バッグ（他の地域ではThirsty Hippos [1]）とは少し違う約束があると思う。君の言う通り、(1) 物理法則を破ってないし、(2) 水滴を取り除くにはエネルギーが必要だよね。でも、水滴が表面に移動するなら、水滴を放出するのに必要なエネルギーはほとんどのアクティブな除湿方法（例えばペルティエ素子）よりもずっと低いかもしれないね。[1] Thirsty Hipposは小さなスペースで非常に効果的だよ。https://www.amazon.sg/Thirsty-Hippo-Dehumidifier-Moisture-Ab... 基本的には超強化されたシリカゲルだね。

└

説明ありがとう。見出しを読んだときの最初の印象は、誰かが永久機関を発見したと思ったよ。

4日前のリポスト: https://news.ycombinator.com/item?id=44060712 それに、熱力学に違反してるように聞こえるようにうまく作られてるよね。 実際には違反してないし、除湿器はエネルギーのコストに対して空気から水を取り出すのがうまくできてるから、他に何か売りがあるはずだよね？ でも、よくわからないな。

└

他に何か売りがあるはずだよね？ でも、よくわからないな。 ウィンドトラップ [0]。 [0]: https://dune.fandom.com/wiki/Windtrap

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除湿器はエネルギーのコストに対して空気から水を取り出すのがうまくできてる。 いや、全然ダメだよ。 凝縮式除湿器はエアコンと同じくらい運転コストがかかるし、不要な熱を出すし、うるさい。 吸湿剤式除湿器はさらにエネルギー効率が悪い。 もし、もっと少ないエネルギーと音で空気から水分を取り出す方法があれば、それはすごいことだよね。

└

おそらく熱力学の理解を破ってはいないけど、周囲の水蒸気を凝縮するためにそれが必要かどうかは不明だね。 論文から [1]: 驚くべきことに、これらの両親水性ナノポーラスPINFsが高いけど飽和していない条件にさらされると [つまり、相対湿度(RH) 1 - https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349

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ここでのアイデアは、空気を冷やさなくても水を得られるってこと。まず水を得て、その結果素材が少し温まる。それから、パッシブに周囲の温度に戻ることができるんだ。

└

4日前の再投稿 ありがとう！そこにいくつかコメントがあったから、ここにまとめるね。

https://en.wikipedia.org/wiki/Air_well_(condenser) と https://en.wikipedia.org/wiki/Fog_collection と https://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_water_generator

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これをリンクしたくてたまらない… 皮肉じゃなくてね。 ここはredditじゃないけど、まあ… https://en.wikipedia.org/wiki/Dune_(novel)

└

それらはすべて、空気が水を保持できなくなるほど温度が低くなることで起こる凝縮に依存してるんだ。でも、新しい素材のメカニズムは全然違うみたい。空気が飽和してる必要はなさそうだし、空気から水を取り除く物質はもうあるけど、そっちは水が吸収されるんだよね。今回のは似たような原理で動いてるけど、水が吸収されたままにはならないみたい。

└

どうやら、これは周囲の温度で水蒸気（霧じゃなくて）を集められるみたい。ただ、水を吸収してる間に素材が少し温まるから、また冷やす必要があるけど、温かいときは周囲の空気よりも暖かいから大丈夫だと思う。

プレスリリースで「物理法則を破る」とか使わなければよかったのに。 これは水の凝縮器にとって重要な発見だと思うけど、外部エネルギー源が必要ないって主張するのは大きな過失だよ。 おそらく彼らは何らかの形のブラウン運動ラチェットを作ったんじゃないかな: https://en.wikipedia.org/wiki/Brownian_ratchet みんな外部エネルギー源がないって主張するけど、よく見ると、熱い・冷たいの差があって、その差を維持するには外部エネルギーが必要なんだ。 その材料が周囲の環境よりも冷たいか、入ってくる水分が周囲の環境よりも温かいって賭けてもいいよ。 それが彼らの材料内の差で、実験室のライトが片側を温めてるかもしれないし！ 昼と夜の温度差に依存する受動的な装置はたくさんあって、それも太陽からのエネルギー入力としてカウントされる。 記事でも、材料の厚さを増やして熱勾配を排除しようとしたって言ってるけど、それがどうして排除になるのか理解できない… 勾配はまだ存在するはずだし。 これが嫌なんだ。 もし彼らが意図的にエネルギーを供給していないなら、たぶん本当に効率的なんだろうね（冷凍庫からサンプルを取り出してるわけじゃないと仮定して）。 だから、これは大事なことなんだけど、どうやら注目を集めるためには何かを永久機関だと主張しないといけないみたいだね。

└

PETはまあまあ良い絶縁体だし、彼らは凝縮を引き起こしているのが温度差じゃなくて、ナノ構造自体だってことを確認しようとしてるみたい。温度と湿度をコントロールしてたと思うから、素材が熱くなる必要があるってことになるけど、それはラジエーターでパッシブに解決できそうだね。彼らが説明してることはかなり大きなことだし、信じられそう。

└

たまには大学がニュースになる必要があるのは分かるし、これがここで一面になったってことはその方法の効果を証明してるけど、「受動的収穫」と「物理法則に逆らう」って言葉は、科学的な出版物の文脈ではすごく慎重に使うべきだと思う。ブログ記事だから、査読されたジャーナルの厳密さは期待してないけど、結局科学に対して損失を与えてる気がする。魔法のような材料が熱力学の第二法則を破るって信じるのは、化学よりも錬金術に近いよね。

実際の論文から（ https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349 ）: 「すべての測定は、特に記載がない限り、空気循環システムによって維持された20° ± 0.2°Cで行われました。必要に応じて、フィルムの温度は加熱/冷却ユニット（THMS350V, Linkam Scientific Instruments, Salfords, UK）を使用して制御されました。」潜熱は冷却装置によって逃がされるけど、特に明記されてないのは、もっとセンセーショナルに聞こえるようにしてるからかも。

└

ああ、それで納得できるかも。物理学を破るって言う代わりに、実際に何が役立つのかを言うべきだったね。今の理解では、周囲の温度が低い環境で高温で動作できるから、潜熱がパッシブに放出できるってこと。アクティブなヒートポンプを使っても、高温だとより効率的なプロセスが可能になるだろうし。閉じたシステムは最終的に平衡に達するけど、閉じたシステムを維持する必要はないんだ。

└

でもこのポイントはめっちゃ大事だよ！見出しを見た瞬間、これが全ての話じゃないって分かったもん（タダで手に入るものなんてないからね）。ベタリッジの法則に関連する何かがあって、人気の科学ジャーナリズムは常に結果を誇張するっていうのがあればいいのに。

└

潜熱は冷却装置によって取り去られるけど、もっとセンセーショナルに聞こえるように明示されてないだけだね。理論的には、その過程で周囲の空気よりも熱くなるなら、それはいいことだよ。通常は、湿気を取り出すために物を周囲の空気よりも冷やさなきゃいけないからね。最大の湿気抽出を測りたいなら良くないけど、周囲の温度に冷やすのはずっと簡単な作業だよ。

└

これって論文の結論を無効にしない？水滴を形成するだけじゃなくて、等温でそうするって主張してるんだよね。素材としては役立つかもしれないけど、科学的にはダメだよね。

└

なるほど、そういうことか。実際の応用には、周囲の空気を使って温度調整するためにしっかり設計される必要があるね。エネルギーを放出する量に対して十分に大きな環境なら、空気の温度を一定と見なせるよ。デバイスが温度を大きく上げられないからね。

└

サーモスタットで温度を一定に保つのはここでは問題じゃないよ。もし表面が周囲の空気よりも冷たく保たれているなら（露点以下）、それで説明できるけど、論文の説明からするとそうじゃないみたい。彼らは基本的に、過飽和蒸気からマクロな水滴が自発的に形成されるって主張してるんだ。で、これは熱力学の第二法則に反することだからね。

└

でも、この研究は目立つと思うよ。吸着技術とは違って、空気から水を引き続けるメカニズムに変化がないからね。おそらく、アルミニウムの上にこの素材の層を置いて潜熱を伝導させて、追加のエネルギーなしで常に水を生産するものになるんじゃないかな。この素材で作ったフィンの「キューブ」を日陰に置いて、その下に集水バケツを置くことを考えてみて。そういうものを作ったら、どれだけのリットルを日々周囲の空気から取り出せるか、そしてどんな条件でできるのかが面白いよね。そういうデバイスは、温度と水分量が人に危険な条件を作り出す「湿球」の日には必須になるだろうね。エネルギーを使わずに空気から水を吸い取るパッシブデバイス？それは命を救うかもしれない。

これ、めっちゃクールだね！基本的には、凝縮-蒸発サイクルに必要な熱力学的デルタを気候の調整から素材の調整に変えてるってことだよね。もし最終的に孔のサイズをプログラムできたらどうなるんだろう？それなら、貯水池の流入/流出のバランスをオンデマンドで変えられるってことだよね。スマートな服を想像してみて。暑い時 -> 孔のサイズを大きくして水を排出、寒い時 -> 孔のサイズを小さくして水が蒸発しにくくする。記事の「物理学を破る」って表現にはちょっとイライラしてるけど。

これ、最近ニュースになってるAI支援の分子動力学で改善できそうだね。薬の発見やタンパク質の折りたたみに使われてるやつ。

モハーヴェの真ん中で、炭酸岩と木炭、大きな波板の金属チューブを使って似たようなことをしたことがあるよ。夜に約3ガロンの水ができるんだ。34.997387, -116.380048 大きなチューブが立ってるの見える？そこに鉱夫のホテルが建ってるんだ。

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これがどうやって作られたかのリンクある？

エネルギーバランスのコメントや他の技術との比較についてだけど、吸収と凝縮のプロセスは同じ材料内で受動的に起こってるから、エネルギーを投入する必要がないんだ。吸収で得た熱は、次の凝縮のステップで失われるんだよ。だから、この発見の影響は、エアコンや除湿器、南の尾根の湿気蒸発器の電力が必要ないってこと。AIのテストをいつもやってるけど、これは彼らが訓練されてない技術について考えるのを見るのが面白いかなと思った。Grokは、僕（化学工学の学位を持ってるけど）よりもプロセスをしっかり考えてたよ。 https://grok.com/share/bGVnYWN5_e80e8100-3682-4157-879e-c5ca...

もし彼らが論文のどこかに本当に重要な注意書きを埋め込んでなければ、彼らは熱力学の第二法則と矛盾する主張をしてるように見えるね。彼らは、水滴が常温で100%未満の相対湿度でナノ材料に凝縮しているって主張してるけど、これは我々が理解している熱力学では絶対に禁じられてることなんだ。こういう条件下では、水滴は孔の中で凝縮することはできるけど（凹面を形成する）、平らな表面に凸の水滴ができることは絶対にないんだ。水が「押し出される」っていう彼らの言い回しも完全に嘘だよ。凝縮は早めに止まるだけで、溢れ出すことはないからね。凹面の孔の中で凝縮した水が凸の水滴に押し出されるには、静水圧が同時に正と負でなければならない。僕が考える可能性は、1) 汚染された表面 2) 相対湿度のキャリブレーションミス 3) 周囲よりも材料を冷やすプレートを言及し忘れた、のどれかだね。 1. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu8349

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ここで何が禁止されてるのかよくわからないな。実際、空気から水を取るのに100%相対湿度は必要ないし、木材には空気の湿度と平衡にある水分含量があるんだ。水分はすべての材料に拡散して、蒸気圧が低いところで蒸発するんだよ。だから、40% RHでは唇が乾燥して、70% RHでは潤ってることがあるんだ。君が言ってるのは凝縮で、温度が下がって空気が過飽和になることで起こるけど、ここではそうじゃないみたい。理論的には、空気から高い水分を吸収する材料があって、微細な特性が水滴の形成を促進することができるけど、その水滴が他の空気から分離される（スマートな蒸気抑制材のようなパッシブ材料で）ことで水が回収されることもあり得るよ。