海水淡化可以提供关键的水源，但当今最常用的方法存在显著缺点。反渗透法迫使水通过专用薄膜以去除盐分，而热蒸馏法则利用热量将淡水与海水分离。这两种方法都会消耗大量能源，通常需要在处理前后进行水处理，并产生一种被称为卤水的高浓度含盐废物。
当这些卤水被排放回海洋时，会提高局部盐度并降低氧气水平，对海洋生物造成有害环境。
传统海水淡化的太阳能替代方案
罗切斯特大学的研究人员开发了一种不同的方法，有助于同时解决上述几个问题。
罗切斯特大学光学研究所的科学家创造了一种太阳能热淡化系统，旨在高效生产淡水，且不产生液态卤水或需要化学添加剂来预处理进水。该方法在发表于《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）的一篇论文中进行了描述。
该研究由罗切斯特大学激光能量学实验室资深科学家、光学与物理学教授郭春雷领导。
该技术的核心是由经飞秒激光处理的黑色金属制成的太阳能电池板。飞秒是一个极短的时间单位，等于一千万亿分之一秒。这些超快激光发出的脉冲能够精确改变材料表面，产生微观结构，从而极大地改变其与光和水的相互作用方式。
激光处理使金属在吸收阳光方面极为有效，并赋予其超亲水特性，这意味着水会在表面迅速散开，而不是形成水珠。
自清洁表面如何工作
每块面板都包含一个经激光处理的活性区域，可将极薄的一层海水吸引至其表面。深色金属几乎吸收所有入射的太阳辐射，将水加热并使其蒸发。
蒸发过程会留下盐分和其他溶解的矿物质。面板没有让这些物质在蒸发发生处积累，而是将它们引导至两侧未经处理的区域，即所谓的被动区域。
这种移动很重要，因为盐分积累是太阳能海水淡化系统面临的最大挑战之一。如果矿物质在活性表面形成坚硬的层，它们会阻碍水的流动，并最终导致系统停止工作。
为什么真正的海水更难淡化
郭表示，以往的太阳能热淡化系统在使用由水和氯化钠制成的简化人工海水进行的实验室实验中通常表现良好。
当氯化钠随着水蒸发而结晶时，往往形成相对呈颗粒状且多孔的结构。水可以继续穿过这些晶体，帮助溶解积累的盐分，使表面更容易清洁。
真正的海水要复杂得多。
除了氯化钠，它还含有镁、钙和许多其他溶解物质。其中一些化合物可以结晶成坚硬、致密且孔隙少得多的沉积物。
这类似于淋浴喷头或茶壶内逐渐积聚的水垢。然而，在海水淡化系统中，挑战要大得多，因为海水所含的溶解盐是普通自来水的数百倍。
随着这些沉积物的积累，水不再能在表面自由流动，从而降低效率并最终堵塞系统。
利用咖啡环效应移动盐分
为了克服这一问题，郭的团队在黑色金属上精心设计了微观凹槽，使盐和矿物质能被推离活性区域，而不是形成顽固的硬壳。
研究人员还利用了一种被称为“咖啡环效应”的常见物理现象。
任何洒过咖啡并观察其干燥过程的人可能都见过这种现象。随着水分蒸发，悬浮颗粒向液滴边缘移动，留下一个深色的环。
“如果你将咖啡滴在表面上，最终水会蒸发，并在外边缘留下一个环，那就是浓缩的咖啡颗粒，”郭说。“我们利用同样的原理将盐分推向被动区域。”
该系统没有让矿物质在阳光驱动蒸发的区域积聚，而是将它们引导至面板边缘。
研究人员使用从太平洋、大西洋和印度洋收集的实际海水对该技术进行了测试。在这些实验中，表面在产生淡水的同时有效地进行了自我清洁，将剩余的盐分引导至被动区域，以便随后收集。
重要的是，这种矿物质积累并未降低面板的淡化效率。
将海水淡化废物转化为有用材料
另一个主要优势在于去除水分后盐分的去向。
该系统不产生必须处理或排放的浓缩液态卤水，而是以固体形式提取近100%的溶解盐。
这种材料有可能成为资源而非废物。其中一部分可用作食盐，同时也可以回收更有价值的矿物质。
一个特别重要的目标是锂，这是用于为电动汽车、智能手机、笔记本电脑和许多其他电子设备供电的锂离子电池的关键材料。
在发表于《材料化学杂志A》（Journal of Materials Chemistry A）的一项相关研究中，郭及其同事证明，同样的超亲水太阳能电池板经过改造后，可以将锂与淡化过程中产生的其他盐分分离。
研究人员将由氢钛酸盐制成的纳米颗粒嵌入黑色金属的微观凹槽中。这些颗粒能从盐和矿物质的混合物中选择性地分离出锂。
“事实证明，从地球上开采锂在能源和环境方面代价高昂，因此直接从盐水中提取锂可能是一条非常重要的未来途径，”郭说。
从盐水中回收锂
使用来自大盐湖的样本，该团队成功回收了淡化后残留盐分中所含约50%的锂。
这一结果指向了一种可能的未来，即海水淡化设施不仅能生产饮用水，还可以回收具有商业价值的材料，否则这些材料将滞留在废物流中。
该技术仍处于早期阶段。到目前为止，研究人员已经在使用相对较小设备的原理验证实验中展示了这种超亲水淡化方法。
然而，郭表示，基本设计具有内在的可扩展性，最终可能有助于扩大淡水获取渠道，并创造更可持续的宝贵矿物来源。
如果成功扩大规模，该方法可以同时应对两大挑战：为不断增长的全球人口生产更多淡水，同时减少与淡化废物和矿物开采相关的环境负担。
该研究得到了美国国家科学基金会、比尔及梅琳达·盖茨基金会和世界大学网络的资助。参与该研究的罗切斯特大学光学研究所的郭的同事包括资深科学家Subash Singh、24届校友魏然（Ran Wei，博士）、博士生唐路恒（Luheng Tang）和徐天舒（Tainshu Xu），以及马明江（Mingjiang Ma）。