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  水是萬(wàn)物之源，地球上的萬(wàn)物生存都離不開(kāi)水。地球表面絕大多數(shù)的面積都由水資源覆蓋，因而孕育出各種各樣的生命。然而，這些水資源中的，淡水總量約占地球總水量的2.8%。這么有限的淡水資源，以液態(tài)，氣態(tài)和固態(tài)的形式存在于陸地上的冰川、地下水、地表水和水蒸汽中，這其中可供利用的部分非常稀少。而且，這些淡水資源，特別是冰川、地下水和地表水在陸地上的分布極不均衡，導(dǎo)致地球表面仍然存在著很多干旱地區(qū)，使得人類難以生存。如何解決偏遠(yuǎn)地區(qū)和旱區(qū)的生活用水問(wèn)題具有非常廣泛和普適性的價(jià)值�？諝庵刑N(yùn)含有大量未被利用的水資源，即使在偏遠(yuǎn)地區(qū)和干旱的沙漠中也含有大量的水蒸氣，將空氣中的水蒸氣就地收集成水，不僅能節(jié)約了大量的勞力和能源成本，也能在地域上具有廣泛的普適性。另外，水蒸氣不含各種雜志和細(xì)菌，經(jīng)過(guò)收集之后幾乎無(wú)需任何凈化和滅菌工藝，即可達(dá)到可供飲用的標(biāo)準(zhǔn)。再者，在機(jī)場(chǎng)周邊區(qū)域，空氣中的霧氣采集和去除還能降低霧氣對(duì)于飛機(jī)起降的影響。

  自然界中的很多生命體在極端干旱的環(huán)境下仍然能夠生存和繁衍。為了解決旱區(qū)的淡水問(wèn)題，研究人員師法自然，從自然界生物中學(xué)習(xí)空氣中集水的本領(lǐng)。在自然界中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有多種動(dòng)植物和昆蟲具有集水本領(lǐng)。仙人掌具有極強(qiáng)的耐旱性，是因?yàn)橄扇苏票砻嫔铣纱胤植嫉挠H水性圓錐棘結(jié)構(gòu)可以捕獲空氣中的水汽，并且將逐漸合并變大的液滴定向地移動(dòng)至芒刺簇地根部被仙人掌所吸收。沙漠甲蟲可以在沙漠中生存和繁衍，是因?yàn)樯衬紫x的背部具有超親水和超疏水區(qū)域相間排布的凸面結(jié)構(gòu)，凸面上的親水區(qū)域可以捕獲空氣中的水汽，隨著水汽的增大和相鄰親水區(qū)小水滴的合并過(guò)程，最終水滴會(huì)大到其重力足以克服昆蟲背部凸面上親水區(qū)域?qū)λ蔚母街Γ沟盟窝刂姑鏉L落被昆蟲取用。蜘蛛在空中織網(wǎng)而身居其中，也是靠著蜘蛛網(wǎng)絲上規(guī)律排列的紡錘節(jié)結(jié)構(gòu)來(lái)捕獲空氣中的霧氣，捕獲的霧氣在通過(guò)不斷地長(zhǎng)大和融合，最終提供蜘蛛生存所需的水分。

圖：自然界與人工制備的一些典型集水材料和系統(tǒng)

  近日，深圳大學(xué)王奔博士、周學(xué)昌教授，湖北大學(xué)郭志光教授以及蘭州化物所劉維民院士聯(lián)合在Nano Today上發(fā)表了題為”Recent advances in atmosphere water harvesting: Design principle, materials, devices, and applications”的綜述，在這篇綜述中，基于對(duì)結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)成分的合理設(shè)計(jì)，總結(jié)了集水材料開(kāi)發(fā)的最新進(jìn)展。介紹了這些集水過(guò)程的機(jī)制和影響因素�；陂_(kāi)發(fā)的材料，介紹了集水裝置和系統(tǒng)，包括非耗能集水系統(tǒng)、太陽(yáng)能供能集水系統(tǒng)、其他外部耗能集水系統(tǒng)。作者們也討論了用于農(nóng)業(yè)應(yīng)用的新興空氣集水灌溉系統(tǒng)。最后，作者們討論了集水材料/裝置目前還存在的問(wèn)題、挑戰(zhàn)和未來(lái)的研究方向。

(圖片來(lái)源：nano today官網(wǎng))

  實(shí)際環(huán)境和材料設(shè)計(jì)都會(huì)影響收集的水。對(duì)于集水材料/表面的設(shè)計(jì)，可以通過(guò)增加材料的水分捕獲能力、促進(jìn)定向輸送、抑制集水蒸發(fā)、提高多孔骨架的吸附能力等措施來(lái)提高集水效率, 同時(shí)也需要考慮降低解吸溫度, 增加太陽(yáng)能熱吸附劑的光譜吸收,大規(guī)模生產(chǎn)能力、生物毒性和成本。

  要將集水材料轉(zhuǎn)化為真正可用的系統(tǒng)，可能需要將許多必要的附件與材料集成在一起。對(duì)于表面化學(xué)梯度和表面結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的集水材料，該裝置可以簡(jiǎn)單地由集水材料、排水系統(tǒng)和儲(chǔ)水箱組成。還可以集成外部能量收集裝置以促進(jìn)水收集過(guò)程。對(duì)于以太陽(yáng)能為動(dòng)力的吸附-解吸技術(shù)，該裝置通常是一個(gè)密封或半密封的系統(tǒng)，包括水冷凝器、散熱器和蓄水池。

  盡管研究人員在各種集水材料和裝置的開(kāi)發(fā)方面做出了相當(dāng)大的努力，但在實(shí)際的日常生活和生產(chǎn)中，特別是在相對(duì)較低的極端環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)高效、自給自足的供水仍面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，大部分集水材料是在高濕度環(huán)境下進(jìn)行的，而大部分缺水干旱地區(qū)位于低濕度環(huán)境中。目前已經(jīng)研究出少數(shù)材料/系統(tǒng)能夠在相對(duì)濕度低于 30% 的情況下從空氣中收集水分，但水分的產(chǎn)率相對(duì)較低，并且收集周期較長(zhǎng)。特別是對(duì)于以太陽(yáng)能為動(dòng)力的集水裝置，集水受到晝夜周期的嚴(yán)重限制。大多數(shù)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)每天只能執(zhí)行一個(gè)集水循環(huán)，通過(guò)這種方法獲得的水產(chǎn)量無(wú)法滿足不斷增長(zhǎng)的缺水需求。其次，集水性能高度依賴于水分捕獲、水冷凝和運(yùn)輸。然而，由于水冷凝和輸送的要求相互矛盾，仍然缺乏參數(shù)優(yōu)化的集水面設(shè)計(jì)指南。第三，當(dāng)材料/表面捕獲大氣水時(shí)，表面上的水同樣面臨蒸發(fā)問(wèn)題。如何防止集水過(guò)程中的蒸發(fā)損失需要進(jìn)一步改進(jìn)。第四，隨著該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)從材料向器件轉(zhuǎn)變，研究成果的產(chǎn)業(yè)化可能涉及許多實(shí)際問(wèn)題，例如技術(shù)可擴(kuò)展性、易于運(yùn)行、成本、耐用性、環(huán)境適應(yīng)性等等。

  該領(lǐng)域未來(lái)的方向可能仍側(cè)重于將具有優(yōu)異收集率的新型材料合理整合到實(shí)用的集水裝置中，以促進(jìn)不同場(chǎng)景的實(shí)際應(yīng)用。除了影響集水性能的材料和表面結(jié)構(gòu)外，溫度、海拔、風(fēng)、濕度等外在因素也應(yīng)越來(lái)越受到關(guān)注，以提高集水系統(tǒng)和設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性。在極度干旱和寒冷的地區(qū)，相對(duì)濕度非常低。未來(lái)的集水研究當(dāng)然應(yīng)該在低濕度條件下投入更多精力，盡管這將更具挑戰(zhàn)性。不僅偏遠(yuǎn)和干旱地區(qū)的人迫切需要淡水，植物和家禽也需要持續(xù)供水。未來(lái)的集水系統(tǒng)也可能為農(nóng)業(yè)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)，這樣家禽的喂水和植物的灌溉能夠以智能和自給自足的方式完成。此外，集水系統(tǒng)還顯示出其通過(guò)吸附和解吸調(diào)節(jié)室內(nèi)和艙內(nèi)濕度的能力，使其在飛行器和潛艇等密閉空間中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

  該文章第一作者為深圳大學(xué)助理教授王奔，共同通訊作者為深圳大學(xué)周學(xué)昌教授，湖北大學(xué)郭志光教授，蘭州化物所劉維民院士。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1748013221002085