この素材があれば、飲み水がなくなる心配はなくなるでしょう。

制作：中国科学普及協会

著者: Shi Wuyao (生物学博士)

プロデューサー: 中国科学博覧会

水は生命の源であり、世界中のすべてのものの生存の基盤です。私たちが住む地球の水面積は70％を超えていますが、淡水資源は3％未満です。これらの淡水の分布は極めて不均一です。湖、川、地下、南極の氷の中に存在します。淡水のうち、人間が消費できるのはわずか 1% 未満です。さらに、環境汚染や人口増加などの一連の問題の影響を受け、今後、世界的な淡水資源の不足はさらに深刻化するでしょう。したがって、淡水不足の問題を解決することが最優先事項です。

画像出典: veer gallery

2023年9月13日、中国の科学者らは、新たな光熱変換材料に関する論文をネイチャー誌に発表した。この素材の登場により、人類に淡水資源の安定供給がもたらされ、安全で十分な淡水の供給が確保されることが期待されます。

研究結果はネイチャー誌に掲載された。

（画像出典：ネイチャー誌）

新素材の調製と原理

太陽エネルギーは、暖房やエネルギー貯蔵に広く使用されている再生可能エネルギー源です。太陽光を利用した界面水分蒸発技術は、約 10 年にわたって提案されてきました。つまり、太陽エネルギーが吸収されて熱エネルギーに変換され、水分子が水蒸気に蒸発するのを促進します。水蒸気はその後の処理のために収集されます。この技術は、きれいな真水を生産する海水淡水化の分野で幅広い応用が期待されています。太陽エネルギーの利用は、化石エネルギーの消費とそれがもたらす一連の環境汚染問題を軽減することができます。

この技術の核心は、太陽熱エネルギーの変換効率をいかに向上させるかということです。中国の科学者が新たに開発した新しい高効率光熱変換材料は、この技術の広範な使用に希望をもたらしました！

画像出典: veer gallery

科学者は、太陽光と物質が相互作用して熱を生成する性質から始めて、化学、物理学、計算などの関連実験を使用して、二酸化チタン（TinO2n-1）に存在するTi-Ti二量体構造が、Ti核の外側の電子構造における3d層電子運動の分布範囲を制限し、電子の実空間局在を引き起こし、フェルミ準位付近にフラットバンド電子状態を導入して、電子遷移の結合状態密度の向上につながることを発見しました。

上記の原理に基づいて、さらなる実験により、酸化チタン物質としてのλ-Ti3O5の太陽光に対する吸収率は95％を超えることが示されました。

反射スペクトルと電子構造

（画像出典：参考1）

科学者たちはさらに、λ-Ti3O5とポリビニルアルコール材料を使用して蒸発器を加工・製造しました。水の蒸発効率を向上させるために、蒸発器は三次元の多孔質相互接続構造に設計されました。実験により、太陽光（1kW m-2）の条件下では、この装置による1時間あたりの水分蒸発量は最大6.09kg m-2に達することが分かりました。これは、太陽光駆動の界面水分蒸発技術によって現在達成されている水分蒸発の最速レベルです。科学者たちはさらにこの装置を海水淡水化実験に使用し、1日あたり最大23 L m-2の淡水を収集した。

この装置を海水淡水化分野に導入すれば、大規模な淡水製造が可能となり、淡水資源不足の問題を大きく解決し、汚水や廃水の浄化・処理に新たなアイデアをもたらすことが期待されます。

3次元多孔質相互接続構造蒸発器の動作プロセスの概略図

（a. 屋外型海水淡水化装置、b. 太陽エネルギー、淡水収集率、淡水総収集量の時間経過による変化、c. 温度と湿度の時間経過による変化、d. 1日平均光束と淡水収集率）

（画像出典：参考1）

淡水保全について私たちは何ができるでしょうか?

新しい素材の発見により、将来飲み水がなくなることを恐れることはなくなりましたが、水を節約し、淡水資源を保護する意識を高めることも必要です。

まず、政府は淡水資源の保護に関する法律や規制を次々と導入・改善し、法的制約を利用して淡水保護の重要性をすべての人に再認識させてきました。淡水保護に関する政策の宣伝を増やし、すべての人の水資源保全に対する意識を高めます。同時に、農業や工業における淡水の利用を最適化し、淡水の利用率を向上させます。

生活の中で、私たち一人一人が節水に注意を払うべきです。同時に、下水に廃棄物、化学物質、医薬品などを捨てないように注意してください。下水に捨てると、淡水汚染を引き起こしやすくなります。

水を節約する

（写真提供：veerフォトギャラリー）

私たちは協力して淡水資源を保護し、水を合理的に使用し、地球上の最後の一滴の水が私たちの涙にならないようにしましょう。

参考文献:

【1】Yang, B.、Zhang, Z.、Liu, P. 他驚異的な太陽蒸気生成に向けたフラットバンドλ-Ti3O5。ネイチャー（2023年）。

【2】李雪琴。新しい太陽熱集熱器と海水淡水化への応用[J]。一般機械、2012.DOI:CNKI:SUN:TYJS.0.2012-03-037。

【3】謝立新、李平麗、王世昌。海水淡水化技術の現状と各種淡水化方法の検討[J]。化学産業進歩、2003年、22(10):4.DOI:10.3321/j.issn:1000-6613.2003.10.011.

【4】陸珠。節水と水資源リサイクル技術の展望[J]浄水技術、2002(S1):5.DOI:CNKI:SUN:ZSJS.0.2002-S1-013。