1. ábra - Hol található a víz a Földön?

forrás: https://water.usgs.gov/edu/mwater.html [2017. április 08]

Szószedet az 1. ábrához:

Ahhoz, hogy megértsük a kivételezett helyzetünket, és azt, hogy mennyire egy hajszálon függ a földi létünk, a legjobb, ha a fenti ábrát alaposabban megvizsgáljuk, és megdöbbenve tapasztalhatjuk, hogy a Földön megtalálható víznek mindössze a 2,5%-a édesvíz. Vagyis az a víz, ami a túléléshez szükséges embernek, állatnak és növénynek egyaránt. Tovább nézve a számokat, még jobban megdöbbenhetünk, ha azt vesszük észre, hogy még ennek a borzasztó kevés víznek is csak egy rész hozzáférhető közvetlenül az emberek számára, a többi jégbe, permafrosztba van zárva. Hogy még érthetőbbé tegyük a számokat, gondolkodjunk így.: Van a hátamon egy nagy hátizsák, 100 liter vízzel, de ebből csak 2,5 liter az édesvíz! 100 literből 2,5 liter. DE! Ezt a 2,5 liter sem tudom meginni, mert csak elenyésző hányada van szabad formában. Ezek után valószínűleg meggondolnám, többször is, hogy mire és hogy használom el azt a kevés kis édesvizet. Iszok, főzök, mosok, fürdök, mosogatok, WC-t húzom le? Vagy, és ez már a mi generációnk égetően szükséges találmánya kell hogy legyen, meg kell szűrnöm a rendelkezésemre álló 97,5 liter vizet a sótól, ami miatt a sós víz számomra, és a gazdaságom számára felhasználhatatlan. Ha megvizsgáljuk a jelenlegi életünket, elemi számítások elvégzése után valószínűleg mindannyian ugyanarra a következtetésre jutnánk, miszerint a jelenlegi ütemben történő vízfogyasztás mértéke nem fenntartható. A fenntarthatatlanság fogalmát nem nehéz megérteni: csak annyit jelent, hogy egy adott folyamat vagy egy állapot változás nélkül nem létezhet tovább. Vagy változik a helyzet, a folyamat, vagy összeomlik. Jelen esetben a vízellátásra alkalmazva: vagy megtaláljuk a rendelkezésünkre álló 97,5%-nyi sós víz édesvízzé való alakításának egyszerű és gazdaságos formáját, vagy az egész most ismert világ összeomlik. Valószínűleg egyikünk sem szeretné a második lehetőség bekövetkeztét meglátni, megtapasztalni. A tudomány és a technológia már nagyon sokszor megmentette az emberiséget a maga által létrehozott szorult helyzetekben, és az olvasók többsége egyetért abban velem, hogy a mostani helyzetünket is csak és kizárólag saját magunknak, és a tevékenységünknek köszönhetjük. A mértéktelen elszaporodásunknak, a felelőtlen iparosodásunknak és a környezetünk elszennyezésének tudhatjuk mindezt be. Nagyon sokszor, amikor egyesek büszkén emlegetik az EMBERT, nekem egy olyan állat jut az eszembe, amelyik a saját fészkébe piszkít, majd mikor a piszokból kellene ennie, megélnie akkor már fujjog, és a szomszéd szép kertjét akarja lelegelni, és odapiszkítani. És ezt nevezi fenntartható fejlődésnek. Szóval ez az én szememben se nem fenntartható, se nem fejlődés. Vagyis a jelenlegi folyamatok társadalmi, gazdasági, és környezetvédelmi szempontból egyaránt működésképtelenek, fenntarthatatlanok. Én azonban mindig is optimista voltam, és remélem, hogy Ti, kedves olvasók is azok vagytok, akik a felelős vízfelhasználást preferáljátok, például a sokszor emlegetett rossz szokásainkat elhagyva. Nem folyatjátok a vizet, amíg a fogatokat dörzsölitek a fogkefével, zuhanyoztok a fürdőkád helyett, mosogatógépet használtok (teljesen megpakolva), ahogy a mosógépet is ruhával tele kapcsoljátok be. Esővizet fogtok fel a kertetek locsolására, stb stb. Ja és szelektíven gyűjtitek a szemeteteket. A szelektív szemétgyűjtés áttételesen segít az iparban, gazdaságban felhasznált édesvíz mennyiségének a csökkentésében. A minket szerencsére nem érintő statisztikák szerint a fertőzött, rossz minőségű „ivóvíz” miatt, naponta több ezer gyermek hal meg a szennyezett víz okozta bakteriális vagy vírusos betegségek (kolera, vérhas,tífusz, hepatitis vírus A és E) különböző változataiban. Ezeknek a haláleseteknek a száma várhatóan évről-évre egyre nőni fog, az egyre nehezebben elérhető tiszta ivóvíznek köszönhetően.

Visszatérve az édesvízhez, a Földön megtalálható édesvíz mennyisége területileg nem egyenletes eloszlású, ennek "köszönhetően" nagy válságövezetek alakulnak ki, ahol nem tudnak öntözni, ezáltal a mezőgazdaság egyre inkább képtelen a növekvő lakosság ellátására, az állattenyésztés is vizet kívánna, valamint a szárazságtűrő állatok, közülük is a kecske leginkább, gyökerestül pusztítja ki a megmaradt növényzetet, ami növeli a sivatagos területek nagyságát. Egy önmagát gerjesztő folyamatról lévén szó, egyre nagyobb területeken válik lehetetlenné az addigi életforma továbbvitele, az elsivatagosodott területekről elinduló néptömegek pedig demográfiai, gazdasági és háborús katasztrófákat okozhatnak közvetetten. Hiszen ők ezt nem akarják, de mindenki alapvető ösztöne a túlélés. 

Világszerte évek óta nagy építkezések zajlanak, és a tengerrel, óceánnal határos országok egy része, az előrelátóbbak, gazdagabbak sótalanítókat építenek. A víz sótalanításának a lényege a fordított ozmózison alapszik. Biológiából, már találkoztatok az ozmózissal, vagyis amikor a féligáteresztő membránon keresztül a membrán két oldalán található oldatok koncentrációjának a kiegyenlítődésére törekedve, a nagyobb koncentrációjú helyre a kisebb koncentrációjú felől történik áramlás. Ahhoz hogy ennek a fordítottja megtörténhessen, valamiféle külső energia, erő beavatkozására van szükség, ebben az esetben a nagyobb koncentrációjú részre (=tengervíz) nyomást gyakorolnak, így áramlik át a membránon a víz. Ez az alkalmazott nyomás nagyobb kell hogy legyen, mint az ozmózis nyomás, ami tengervíz esetén kb. 30 atmoszféra. Hogy el tudjuk képzelni mekkora is ez a nyomás, képzeljük el, hogy 300 méter magas vízoszlop nehezedik ránk, vagy ami ugyanaz, mintha 290 méter mélyen lennénk a tengervíz szintje alatt (10 méter vízoszlop nyomása=1 atmoszféra). De mivel az alkalmazott membrán lyukmérete az ásványi anyagok (pld. só) szemcsemérete alatti, ezért a só az eredeti oldalon marad, így kapunk sótalanított vizet. Ez a technológia nem újdonság, és a világon már több száz ilyen elven működő sótalanító is üzemel. A baj csak az, hogy nagyon drága az ivóvíz előállításának a folyamata, és közben természeti károkat is bőven okoz, üvegházhatású gázok kibocsátásával és a sótalanító körüli tengeri élővilág életterének a megbolygatásával. Szóval nem teljes a sikertörténet, valami olyasmi mint a benzines, pöfékelő autóink. A megoldás felé az egyre növekvő vízhiány is erősen lökdöste az érintett gazdaságokat, olyan földrészekről, országokról beszélünk, mint például Ausztrália, Kína, India, USA, Afrika és az Öböl-menti országok többsége. Ausztráliában most épül a kontinens legújabb, emissziómentes sótalanító üzeme, melyhez nagy reményeket fűznek, az ivó- és öntözővízhiány megoldásában. Ez az eddig is használt sótalanítási technológia alapján továbbfejlesztett, emissziómentes (= nem bocsát ki üvegházhatású gázokat) üzemek kifejlesztését jelenti. Vagyis inkább mennyiségi továbblépés.

A napokban, a Nature-on megjelent kutatási eredmény azonban valószínűleg a rég várt minőségi előrelépést testesítheti meg a vízre szomjazó emberiség számára. A sótalanításnál használt membránok, szűrők új generációjának a kifejlesztése a másik irányt képviseli, ami által a féligáteresztő membránnál szükséges óriási nyomást lehet nagymértékben csökkenteni, vagyis technológiailag léphetnénk egy nagyot. Erre a feladatra az egyik sok lehetőséggel kecsegtető anyag, a grafén is alkalmasnak tűnt, és már évekkel ezelőtt felvetődött a gondolat a kutatások ilyen irányú lefolytatására. Vagyis egy, a Manchester Egyetemen dolgozó kutatócsoport eredményeit a grafén-oxiddal kapcsolatosan beszélhetjük most meg. A grafén-oxiddal történt kísérletek során azt figyelhették meg a kutatók, miszerint a membrán grafén molekulái a vízbemerítés során megduzzadnak, és ezáltal a kisebb szemcseméretű méretű oldott sók simán áthaladtak a membránon. A kutatócsoportnak sikerült a jelenlegi újításukkal kiküszöbölni ezt a jelenséget. Így az egy atomnyi méretű (sokszor ezért kétdimenziós rácsnak is nevezett) grafén réteget lyukakkal láttak el (=szita, szűrő), amely a vizet átengedi, de a nátriumot, klórt, és egyéb ionokat kiszűri. Ahogy az előzőekben leírt sótalanító üzemeknél alkalmazott technológiánál említettem, óriási nyomással kell keresztülnyomni a vizet a szűrő membránon, az annál ezerszer vékonyabb grafén esetében jóval kisebb nyomás elegendő, így energiát spórolunk meg, jóval olcsóbban tudjuk megvalósítani a tengervíz sótalanítását.

2. ábra grafén membrán

forrás: http://www.graphene.manchester.ac.uk/latest/?archive=twelvemonths&id=18158 [2017 április 13]

De mi az a grafén? És miben különbözik az elemi széntől?

Aki részt vett kémia órákon, és esetleg figyelt is, ismerheti az allotrópia szót. Allotrópiának nevezzük azt a jelenséget, amikor bizonyos elemek több kristályszerkezeti módosulatban is előfordulnak. Ilyen eset például az ózon az oxigénhez viszonyítva. Ebbe a kategóriába nem fér bele azonban az amorf állapotú szilárd anyag, tehát pl. a szén esetében az amorf szén. A szén 1985-ig nem igazán volt figyelemreméltó az allotrópia szempontjából, hiszen csak két kristályszerkezeti módosulatban volt ismeretes a tudomány számára, a grafit és a gyémánt.

a grafit kristályszerkezete

forrás: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1996/illpres/greeks.html [2017. április 14]

a gyémánt kristályszerkezete

forrás: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1996/illpres/greeks.html [2017. április 14]

1985-ben viszont felfedezték és elő is állították a fullerének leggyakoribb változatát, a 60 szénatom összekapcsolódásából adódó C60-at, majd a C70-et is. Ezek nagyon stabil szimmetrikus kristályszerkezetű elemek. Itt többet is olvashattok a fullerének felfedezéséről, ami nagyon érdekes történet, és a fullerének tulajdonságairól, szerkezetéről.

a fullerén kristályszerkezete

forrás: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1996/illpres/greeks.html [2017. április 14]

Kiss Leventének a Természetvilágában megjelent cikk -e a fullerénszerkezetnek az élővilágban való megjelenését tárgyalja, az Aulonia hexagona nevű sugárállatka példáján keresztül. A sugárállatka szilíciumtartalmú váza az, ami a fullerén szerkezetet reprezentálja. Ez az állatka, bár a neve alapján hatszögekből álló vázzal rendelkezik, ez nem igaz, mert a nevével ellentétben néhány ötszöget is tartalmaz. Csak így lehet stabil a fullerénszerkezet. Az élővilágban való megjelenése is bizonyítja a fullerén szerkezet különlegességét, hiszen a Természet az Evolúció során csak a legjobbakat hagyja csak tovább létezni.

A grafén, az elemi szén egy következő kristályos szerkezete, egy két-dimenziós szerkezet.

forrás:http://fizipedia.bme.hu/images/8/86/Grafen_fizikaja.pdf [2017. április 11]

4. ábra a grafén méhsejtszerű kristályszerkezete

forrás: pixabay.com [2017. április 10]

A grafénben a szénatomok méhsejtszerű alakzatban helyezkednek el, ahogy ez az 3. és a 4. ábrán is látható. 

A grafén egy mindössze egyetlen atomréteg vastag (két-dimenziós) szén kristály. A grafén az alapvető fizikai jelenségek, valamint a lehetséges alkalmazási lehetőségek szempontjából is kiemelkedő figyelmet kap a fizikusok, mérnökök részéről, és vizsgálat tárgyát képezi a világ vezető laboratóriumaiban. A grafén elvi számítását, már 1949-ben elvégezte P.R.Wallace kanadai elméleti fizikus, de akkor nem történt meg a kísérleti bizonyítás. A szén módosulásai közül a grafit, a nukleáris reaktorok miatti nagyobb figyelem központjába került, és a tudományos kutatásokat arra a területre fókuszálták. Azt, hogy ez az új anyag mennyire jelentőségteljes, jelzi az is, hogy 2004-ben fedezték fel, és alig néhány évre rá, 2010-ben meg is kapták érte a Nobel-díjat a University of Manchester kutatói, név szerint Andre Geim és Konstantin Novoselov.  Az egyetemen egy külön Intézet, a National Graphene Institute végzi napjainkban a kutatásokat a grafén alkalmazásával kapcsolatosan. A grafén egyedülálló elektronszerkezete olyan különleges jelenségekben nyilvánul meg, mint például az effektívtömeg nélküli töltéshordozók léte a Fermi energia környezetében. De ez még nem minden, mert ha a két-dimenziós grafénból különböző nanoszerkezeteket hoznak létre a kutatók, a fizikai jellemzők megint változnak. A szerkezetek szélein más tulajdonságok a jellemzők, mint a szerkezet belső területein. A grafén legfontosabb, az iparban jól kihasználható tulajdonságai a következők:

- jóval erősebb, mint az acél, vagy a mostanában sokat emlegetett bioanyag, a pókháló,

- bár kemény, nem merev, hanem hajlítható, (ez teszi alkalmassá például a hajlítható képernyők előállítására),

- az elektronok gyorsabban mozognak benne, jobb elektromos vezető, mint a réz,

- átlátszó (ezzel a tulajdonsággal ablakokra applikálható, és napelemként működhet!),

- öntisztító, lepereg róla a víz, olaj, zsír (olyasmi mint a lótusz effektus?),

- már kis hozzáadott mennyiséggel is megváltoztathatjuk a keverék alapanyagának a tulajdonságait, mint például az elektromos vezetési képességét (kicsi a fajlagos költsége az előállítandó új keverékeknek, anyagoknak)

A felsorolt lehetséges felhasználások mellett az emberiség a grafént még felhasználhatja a kvantumszámítógépek előállításánál; a szilícium alapú elektronika lecserélésében; a gyógyszeriparban a célzott gyógyszerbevitel területén; a könnyű, kemény de hajlékony bioszenzorok, a speciális lencsék és a vízszűrő membránok előállításában; a törésmentes autók megjelenésében; a sportszerek; az energetika területén felhasznált anyagok előállításában; szuperkondenzátorok létrehozásában; és eltűnhetnének végre a nem kívánt graffitik ha grafénes festékkel festjük le a felületet. (Egyébként szeretem azokat a tűzfalakat, amiket értelmes, üzenettel bíró, vagy egyszerűen szép graffitikkel díszítenek, ugyanakkor nem szeretem a felesleges festékszórózást, főleg nem olyan felületekre, amiket nem erre találtak ki. Például a vonatok, buszok oldalfelületei, vagy házak falai.)

Gondolom vannak még olyan felhasználási területek, amiket nem találtam meg a neten, vagy egyszerűen csak elkerülték a figyelmemet. Lehet a felsorolást folytatni, amennyiben valaki még tud valami újdonságot.

Eredeti témánkra, a vízhiányra és annak remélt megoldására visszatérve egy képben látom reményeim megvalósulását, miszerint mindenkinek juthat egy nap megfelelő mennyiségű egészséges ivóvíz.

 forrás: pixabay.com

Üdvözlettel,

ScienceGuruk