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科学家报道了利用昼夜温度变化的无动力水凝胶水泵。这项研究已经发表在杂志上,由韩国中央大学化学工程和材料科学系的研究人员进行。


昼夜温度变化是一个重要但未被充分认识的因素,它使地球上的生命成为可能。这种自然现象被广泛应用于葡萄种植业,葡萄园位于高海拔地区,白天和晚上的温度有很大的差异。这种现象是由地球的日常旋转以及陆地和太阳辐射之间的不平衡造成的。



沙漠地区通常表现出最大的昼夜温度变化,低洼潮湿地区表现出最小的变化。这种自然现象作为能源的潜在用途在很大程度上还没有被探索。


相变材料是材料科学研究中相对较新的创新。最近报道的利用昼夜温度变化的相变材料很少,初步研究证明了这些材料的潜力。


已经为能量转换应用开发了包含扭曲的碳纳米管纱线的功能性相变材料。虽然很有希望,但它们受到启动速度慢的阻碍。通过将相变材料与用于产生电能的热电装置相结合,已经开发了其他材料。


这些装置已经实现了350毫伏的发电量,日温差为10o但是,尽管在将热波动转换成电能方面,它们在理论上优于热电转换装置,但是它们的应用目前主要限于传感器。



利用昼夜温度变化的相变材料的另一个潜在应用是无动力水管理。使用这种方法可以开发水泵和净化器,不需要外部能源输入,从而节省大量能源,提高农业等行业的可持续性。


在农业领域,近年来一直在探索垂直农业,以满足未来的粮食安全,这项技术可能有利于这些努力。


垂直农业对气候变化和荒漠化的波动不太敏感。可以减少土地使用,减轻害虫带来的风险,并且在垂直农场中需要更少的水和肥料。水膜是水凝胶和膜的结合,为无土栽培提供了潜力。在未来,这些方法甚至可以应用于世界以外的地方,以提高空间探索和其他天体基地的自给自足能力。


节省运营成本和能源对于垂直农场的成功至关重要,研究集中在低成本和节能设备上。为垂直农场开发无动力组件将为公司和农民带来巨大利益。


这项研究的作者开发了一种基于昼夜温度变化的创新解决方案。在这项研究中,对基于水凝胶的热敏水泵和净化器进行了评估。这些新型无动力装置可以直接连接到垂直农业水膜上,减少能源使用和运营成本。


开发利用昼夜温度变化的热敏水凝胶在目前的文献中还没有报道,这使他们的解决方案成为一个真正的新方案。热敏水凝胶通过根据外部温度经历体积变化、膨胀和收缩来响应温度变化。这些材料中的大分子链显示出低临界溶解温度行为(LCST),并且在水中,水凝胶结构中的交联允许它们起到软致动器的作用。


这项研究中开发的设备基于PNIPAm,这是一种廉价的生物相容性热敏水凝胶。白天,当温度较高时,净化水通过由PNIPAm和疏水硅构成的无动力水阀从设备中释放出来。这个系统类似于植物的木质部。任何高于昼夜温度变化的温度变化都可以为研究中提出的新系统提供动力。


在该装置中,硅相 *** 入水凝胶相之间。


水凝胶相的亲水性和硅相的疏水性使得水流不可逆。该装置的泵送效率被证明在78%和92%之间,并且在一个温度循环中被泵送的净化水的重量是无动力水泵中的材料的总重量的2-3倍。


具有不同LCSTs的材料可用于克服昼夜温度变化中的区域和季节温差带来的挑战。此外,这些装置可以用于油和水的分离,进一步证明了所提出的装置的商业适用性。总的来说,这项研究提供了一个解决传统水管理系统挑战的新方案。


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