انتشار سريع للماء مدفوع بعدم تماثل المحبة للماء يمكّن الجِلات المغايرة الماصة للرطوبة من حصاد جوي عالي الإنتاجية

تحويل الهواء إلى مصدر ماء مخفي

تقع العديد من المناطق الجافة تحت سماء مشبعة ببخار الماء الذي نادرًا ما يهطل على شكل مطر. تستكشف هذه الدراسة مادة جديدة شبيهة بالإسفنج قادرة على سحب تلك الرطوبة الخفية من الهواء وإطلاقها كماء سائل نقي باستخدام ضوء الشمس فقط. تُظهر العمل كيف يمكن لجل مُصفّف بعناية أن يمتص كميات كبيرة من الماء ويعيدها بسرعة، مما يشير إلى أجهزة بسيطة قد توفر يومًا مياه شرب حيث تكون المصادر التقليدية نادرة.

لماذا يصعب حصاد الماء من الهواء

على المواد المخصصة لحصاد الماء أن تؤدي مهمتين متعاكستين في الوقت نفسه: عليها أن تمسك بالماء بقوة كافية لتجميعه، وفي الوقت نفسه أن تسمح بتحريره بسهولة عند التسخين. تحقق الجِلات التقليدية امتصاصًا جيدًا عبر ملء شبكة موحدة بالعديد من المجموعات الكيميائية المحبة للماء. لكن تلك اللزوجة نفسها تبطئ حركة الماء داخل المادة، فتنسد السطح الخارجي بينما تبقى المناطق الداخلية فارغة. حاول المهندسون حل هذه المشكلة بهياكل مسامية متقدمة، لكن من الصعب ضبط حجم وشكل المسام بحيث تعمل كل من التقاط الماء وإطلاقه بشكل جيد.

إسفنج مُصَفّف ذات مهام مختلفة

يكسر الباحثون هذا الجمود ببناء جل «مغاير» حيث تؤدي طبقات مختلفة أدوارًا مختلفة. القشرة الخارجية مصنوعة من البكتين، وهو بوليمر نباتي يُستخدم أيضًا في تماسك المربى. هو غني بالمجموعات الكيميائية التي ترتبط بالماء بسهولة، فيعمل كخط أول حيث يتحول بخار الهواء إلى سائل. داخل هذه القشرة توجد عدة صفائح رفيعة من أكسيد الجرافين، مادة كربونية ذات أسطح مجعدة وعدد أقل من المواقع المحبة للماء. تُملأ المجموعة بأكملها بالجليسيرول، سائل آمن كثيف يساعد على سحب الماء إلى الداخل. يفصل هذا التصميم أماكن التقاط الماء عن أماكن تخزينه ونقله، مما يسمح بتحسين كل جزء لمهمته.

كيف يتدفق الماء إلى الداخل ويخرج إلى الخارج

عندما يلامس الهواء الرطب الجل، ترتبط قشرة البكتين بسرعة بالبخار وتكثفه إلى قطرات صغيرة. ثم يعمل الجليسيرول كحزام ناقل جزيئي، يسحب هذه القطرات إلى الفجوات بين صفائح أكسيد الجرافين. وبما أن الصفائح ناعمة نسبيًا وأقل لزوجة، فإن الماء يمسك به بشكل أخف ويمكنه التحرك بسرعة عبر القنوات الضيقة الناتجة عن التجاعيد. تُظهر المحاكاة الحاسوبية وتجارب الرنين المغناطيسي النووي أنه، على عكس الجل الموحد، يتصرّف جزء كبير من الماء داخل هذا الهيكل المصفف كسائل جريان حر بدلاً من أن يُحبس في مكانه بروابط قوية.

عوائد عالية تحت ضوء الشمس الحقيقي

تقوم صفائح أكسيد الجرافين بدور مزدوج بأنها تعمل أيضًا كمسخّنات شمسية فعّالة. تحت ضوء الشمس العادي تمتص طيفًا واسعًا من الأطوال الموجية وتدفئ الماء المحيط. ينتشر الحرارة من الصفائح الداخلية إلى الخارج، دافعةً جزيئات الماء مرة أخرى نحو السطح حيث تتبخر ثم تتكثف على غطاء أبرد ليتم جمعها. تُظهر الاختبارات أن الجل يمكنه امتصاص ما يعادل من وزنه وحتى ما يقرب من سبعة أضعاف وزنه من الماء، اعتمادًا على الرطوبة، ويمكنه إطلاق أكثر من 90 بالمئة من الماء المخزون في أقل من ساعة. أنتجت التجارب الخارجية في مناخات مختلفة عدة لترات من الماء لكل كيلوجرام من الجل في اليوم، وكان الماء المجمّع متوافقًا مع معايير النقاء الدولية.

ماذا يعني هذا لموارد الماء المستقبلية

من خلال الخلط المتعمد لمناطق أكثر وأقل محبةً للماء داخل مادة واحدة، تتحدى هذه الدراسة الاعتقاد الشائع بأن جعل المادة أكثر محبةً للماء دائمًا يحسن الأداء. بدلاً من ذلك، تُظهر الدراسة أن منح طبقات مختلفة مهام مختلفة يمكن أن يعزز كلًا من كمية الماء الملتقطة وسرعة حركته. وتشير القشرة الخارجية القابلة للتحلل والنواة الكربونية القابلة لإعادة الاستخدام أيضًا إلى أنظمة ليست فعّالة فحسب بل أكثر ودًا للبيئة. بينما لا تزال هناك حاجة لمزيد من الهندسة قبل أن تصبح مثل هذه الجِلات أجهزة يومية، يقدم المفهوم طريقًا واضحًا نحو أنظمة عملية تسحب بهدوء مياهًا عذبة من الهواء حيثما يتوفر ضوء الشمس.

الاستشهاد: Han, R., Wu, X., Zhu, Y. et al. Asymmetric hydrophilicity-driven fast water diffusion enabling heterogeneous hygroscopic gels toward high-yield atmospheric water harvest. Nat Commun 17, 4571 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71259-5

الكلمات المفتاحية: حصاد الماء الجوي, جل مَاص للرطوبة, أكسيد الجرافين, تحلية شمسية, مياه عذبة من الهواء