意外发现的一类纳米结构材料可以被动地从空气中收集水

宾夕法尼亚大学工程学院化学工程实验室的一次偶然观察导致了一个令人惊讶的发现：一类新的纳米结构材料可以从空气中提取水，将其收集在孔隙中并释放到表面上，而不需要任何外部能源。

这项发表在《科学进展》上的研究描述了一种材料，它可以为干旱地区从空气中收集水的新方法以及利用蒸发力冷却电子设备或建筑物的设备打开大门。

跨学科团队包括李大妍、拉塞尔·皮尔斯和伊丽莎白·克里米安·豪雅化学与生物分子工程教授（CBE）；阿米什·帕特尔，CBE教授；李实验室的博士后学者、第一作者Baekmin Kim；慕尼黑工业大学复杂软物质教授Stefan Guldin。

“我们甚至没有试图收集水，”李说。“我们正在进行另一个测试亲水性纳米孔和疏水性聚合物组合的项目，当时我们实验室的前博士生Bharath Venkatesh注意到我们正在测试的材料上出现了水滴。这没有意义。就在那时，我们开始问问题。”

这些问题导致了对一种新型两亲性纳米多孔材料的深入研究：一种在独特的纳米级结构中混合亲水性和疏水性成分的材料。其结果是，这种材料既能从空气中捕获水分，又能将水分以液滴的形式排出。

集水纳米孔

当水在表面凝结时，通常需要温度下降或非常高的湿度水平。传统的集水方法依赖于这些原理，通常需要能量输入来冷却表面或形成浓雾，以被动地从潮湿环境中收集水。但李和帕特尔的系统工作方式不同。

它们的材料不是冷却，而是依赖于毛细管冷凝，这是一个即使在较低湿度下水蒸气也会在微孔内冷凝的过程。这并不新鲜。新的是，在他们的系统中，水不会像通常在这些类型的材料中那样被困在孔隙中。

“在典型的纳米多孔材料中，一旦水进入孔隙，它就会留在那里，”Patel解释道。“但在我们的材料中，水会移动，首先在孔隙内凝结，然后以液滴的形式出现在表面上。在这样的系统中，这是前所未有的，起初我们怀疑我们的观察结果。”

电子显微镜图像下的纳米孔隙显示，水滴形成并被材料本身储存的水补充（宾夕法尼亚大学工程学院李大妍实验室提供的视频）。Image caption：Daeyeon Lee实验室/宾夕法尼亚大学工程学院。一种无视物理学的材料

在他们了解发生了什么之前，研究人员首先认为，由于实验装置的人为因素，比如实验室中的温度梯度，水只是凝结在材料表面上。为了排除这种可能性，他们增加了材料的厚度，看看表面收集的水量是否会发生变化。“如果我们观察到的只是表面凝结，那么材料的厚度不会改变存在的水量，”李解释道。

但是，收集的总水量随着薄膜厚度的增加而增加，证明表面形成的水滴来自材料内部。

更令人惊讶的是：液滴并没有像热力学预测的那样迅速蒸发。Patel说：“根据液滴的曲率和大小，它们应该已经蒸发了。”。“但事实并非如此；它们在很长一段时间内保持稳定。”

李和帕特尔手中掌握着一种可能违反物理定律的材料，他们将他们的设计发送给了一位合作者，看看他们的结果是否可以复制。“我们在各种条件下研究多孔薄膜，利用光偏振的细微变化来探测复杂的纳米级现象，”Guldin说。“但我们从未见过这样的事情。这绝对令人着迷，显然会引发新的、令人兴奋的研究。”

与依赖Phys.org获取日常见解的10多万订阅者一起探索科学、技术和太空的最新进展。注册我们的免费时事通讯，每天或每周获取重要突破、创新和研究的最新进展。

一个稳定的冷凝和释放循环

事实证明，他们创造了一种吸水纳米粒子和防水塑料（聚乙烯）的平衡材料，可以制造出具有这种特殊性质的纳米粒子薄膜。

“我们不小心碰到了最佳点，”李说。“水滴与下面孔隙中的隐藏储层相连。这些储层不断从空气中的水蒸气中补充，通过这种亲水和防水材料的完美平衡，形成了一个反馈回路。”

被动集水平台和更多

除了违反物理的行为外，材料的简单性也是它们如此有前景的原因之一。这些薄膜由普通聚合物和纳米粒子制成，采用可扩展的制造方法，可以集成到干旱地区的被动集水装置、冷却电子设备的表面或对环境湿度有反应的智能涂层中。

“我们仍在揭示起作用的机制，”Patel说。“但潜力是令人兴奋的。我们正在从生物学中学习——细胞和蛋白质如何在复杂环境中管理水——并将其应用于设计更好的材料。”

“这正是宾夕法尼亚大学最擅长的，它汇集了化学工程、材料科学、化学和生物学的专业知识来解决大问题，”李补充道。

接下来的步骤包括研究如何优化亲水性和疏水性成分的平衡，缩放材料以供实际使用，以及研究如何使收集到的液滴有效地从表面滚下。

最终，研究人员希望这一发现将带来在干燥气候下提供清洁水的技术，或仅使用空气中已有的水蒸气的更可持续的冷却方法。p