有了这个材料，淡水不再愁！真正造福世界的材料，问鼎《Nature》子刊！

研究背景

水资源短缺是我们这个时代最严重的全球性挑战之一，我们已经做出巨大努力，从替代水源中获取淡水。例如，界面太阳能蒸汽发电利用太阳光作为能源，通过直接加热水并驱动其在水-空气界面蒸发来净化盐水或受污染的水。它的效率取决于水的输送和热管理，并且已经为这种应用研究了各种材料。例如，纳米结构的碳材料被设计用来吸收光和促进水的输送，等离子体材料和陶瓷被用来有效地将阳光转化为热能。目前报道的太阳能蒸汽发生器都有主要缺点，因为它们只能在足够的太阳辐射下工作，它们的输出受到地球表面太阳能密度和水蒸发所需能量消耗大小的限制。如果这些材料能够获取其他淡水资源，并能不间断地生产清洁水，那么它们的优点将会大大提高。

雾经常出现在沿海和日落后的干旱地区，是补充太阳能水净化的水源。雾收集是一种有前途的低成本集水方法，已被广泛研究和应用。聚合物网材料通常用于捕获雾，但是它们的效率受到沉积液滴的重新进入和被钉扎的液滴堵塞网的不利影响。已经发现某些具有独特功能的自然结构可以避免这些问题，并更有效地收集雾。例如，仙人掌脊柱的分级组装锥形结构能够通过驱动水滴的定向运动来连续收获雾。已经探索了几种受生物启发的雾收集图案，其中装置由金属、金属氧化物和聚合物构成，所有这些都缺乏光能到热能的转换能力，因此使它们与太阳能蒸汽产生不兼容。开发一种能够支持这两种技术的结构化材料将为全天候利用这两种集水机制提供一种途径，并将对缓解全球水资源短缺产生重大影响。

研究成果

太阳能蒸汽水净化和雾收集是两个独立的过程，可以产生丰富的淡水。近日，加州理工学院Julia R. Greer教授等人合作开发了一种水凝胶膜，它包含高表面积的分层三维微结构，集两种功能于一体，可用作全天淡水采集器。晚上，水凝胶膜有效地捕获雾滴，并将它们定向运输到储存容器中。白天，它充当界面太阳能蒸汽发生器，通过改进的热/蒸汽流量管理，在1个太阳光照射下实现3.64 kg/m²/h的高蒸发率。通过自制的屋顶集水系统，这种水凝胶膜可以在室外测试中产生每天约34 L m^-2的淡水，这表明了它在缓解全球缺水方面的潜力。相关研究工作以“All-day fresh water harvesting by microstructured hydrogel membranes”为题发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。

图文速递

图1. 双功能凝胶膜和全天集水模型的设计

图2. 微结构聚乙烯醇/PPy凝胶膜的制备及结构表征

作者设计并制作了一种聚乙烯醇/PPy水凝胶膜，该膜具有三维树状表面微结构。选择水凝胶膜是因为它能够作为有效的界面太阳能蒸汽发生器来净化水。再加上水凝胶优异的可加工性和与先进制造技术的兼容性，这些粘弹性材料很容易成型为微观结构，可以在相关长度尺度上模拟生物系统，以促进雾的收集。当置于受控的雾生成条件下时，这种聚乙烯醇/PPy凝胶膜以约5.0 g·cm^-2 h^-1的速率有效地捕获雾滴，并在提供方向控制的同时驱动雾滴传输。通过实验和建模，还证明了树状表面微拓扑结构能够通过最大化光吸收效率和引导蒸汽逃逸来放大界面太阳能蒸汽产生的热和流体管理，从而能够在1次太阳光照射下实现3.64 kg m^-2 h^-1的高太阳能蒸汽产生率。在室外测试中，该装置能够全天收集淡水，日集水率约为34 L/m²。

图3微树状结构聚乙烯醇/PPy凝胶膜的集雾性能

图4微结构聚乙烯醇/PPy凝胶膜的太阳能蒸汽产生特性

图5 聚乙烯醇/PPy凝胶室外全天集水

为了证明设备的多功能性，作者还制造了一个浮动的全天集水模型，具有可折叠的盖子、可调的支撑结构和完整的储水组件(图5e、f)。白天，冷凝结构关闭，产生的蒸汽在冷凝结构上再次冷凝，由织物芯收集并输送至储水器。夜间，盖子保持打开，凝胶样品面向雾流。在花园水池中测试了这个原型，并成功地在一天内从大约126 cm²的微生态凝胶膜中收获了大约240毫升的淡水。值得指出的是，雾是通过水凝胶的顶面收集的，然后直接输送到清水容器中。

结论与展望

随着经济的发展和人口的增加，人类对水资源的需求不断增加，再加上存在对水资源的不合理开采和利用，很多国家和地区出现不同程度的缺水问题，这种现象称为水资源短缺。在这项研究中，作者证明了太阳能蒸汽发生和集雾功能可以耦合在一个漂浮系统中。浮动装置可以在许多方面进行改进，以实现凝胶膜以及其他高性能界面太阳能蒸发器的全部潜力。例如，可以安装光透明度高的半球形盖。其他打开和关闭机构可以应用于盖子。远程控制功能可用于远程切换工作模式。可以配备冷却部件来促进冷凝。这些工作需要光学、机械、热学、电学和电子工程方面的努力，是未来研究中非常有趣的课题。这项工作为缓解淡水资源短缺难题提供了借鉴，相信不久的将来这一挑战会得到解决！

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-23174-0