該材料通過毛細冷凝原理工作，即使在濕度較低時，水蒸氣也會在微孔中轉(zhuǎn)化為液態(tài)水。

美國科學(xué)家團隊意外發(fā)現(xiàn)了一類新型納米結(jié)構(gòu)材料，能夠從空氣中捕獲水分，將其收集在孔隙中，并在無需外部能源的情況下將水釋放到表面。

據(jù)報道，賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究人員正在測試一種結(jié)合親水性納米孔和疏水性聚合物的混合材料時，意外發(fā)現(xiàn)材料表面形成了水滴。

“我們甚至沒打算收集水，”化學(xué)與生物分子工程系Russell Pearce和Elizabeth Crimian Heuer講席教授李在淵（Daeyeon Lee）表示，“這不符合常理。于是我們開始追問原因。”

受此現(xiàn)象啟發(fā)，李在淵與化學(xué)與生物分子工程系教授阿米什·帕特爾（Amish Patel）、博士后學(xué)者金柏珉（Baekmin Kim，音譯）以及德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)復(fù)雜軟物質(zhì)教授斯特凡·古爾丁（Stefan Guldin）合作，對這種新型兩親性納米多孔材料展開了深入研究。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，這種材料通過獨特的納米級結(jié)構(gòu)將親水與疏水成分巧妙結(jié)合，未來或?qū)楦珊档貐^(qū)的水資源收集、通過蒸發(fā)冷卻電子設(shè)備或建筑提供新途徑。

突破物理定律的材料

通常，水僅在溫度下降或濕度較高時才會在表面凝結(jié)。然而，依賴這些參數(shù)的傳統(tǒng)收集方法往往需要能量來冷卻表面或依賴濃霧收集水分。

與傳統(tǒng)系統(tǒng)不同，這種新材料無需依賴冷卻，而是利用毛細冷凝原理，即使低濕度條件下，水蒸氣也能在微孔內(nèi)凝結(jié)。隨后，水分不會被困在孔隙中，而是移動到表面形成水滴。

“在我們的材料中，水先凝結(jié)在孔隙內(nèi)部，然后以水滴形式出現(xiàn)在表面，”帕特爾解釋道。他補充說，在普通納米多孔材料中，水一旦進入孔隙就會鎖定其中，“這種動態(tài)過程在此類系統(tǒng)中前所未見，起初我們甚至懷疑自己的觀察結(jié)果。”

研究團隊最初推測水滴形成可能源于實驗室環(huán)境因素（如溫度梯度）導(dǎo)致的表面冷凝。為驗證這一點，他們通過增加材料厚度來測試其對集水量影響。

“如果僅是表面冷凝，材料厚度不會改變集水量，”李在淵指出。由于總集水量隨薄膜厚度增加而上升，研究團隊確認水滴確實來自材料內(nèi)部而非僅表面凝結(jié)。

更令人驚訝的是，水滴未如預(yù)期般迅速蒸發(fā)。帕特爾強調(diào)，根據(jù)其曲率和尺寸，這些水滴本應(yīng)快速消失，但它們卻長時間保持穩(wěn)定。

隨后，研究團隊將這一“違背物理定律”的材料交給合作者驗證，希望確認實驗結(jié)果是否可獨立復(fù)現(xiàn)。

古爾丁表示，其團隊曾廣泛研究多孔薄膜在不同條件下的行為，通過光偏振的細微變化分析復(fù)雜納米級現(xiàn)象，“但我們從未見過這樣的現(xiàn)象。這絕對令人著迷，必將激發(fā)全新而激動人心的研究。”

被動式集水平臺

通過分析結(jié)果，團隊意識到他們創(chuàng)造的材料完美平衡了親水納米顆粒與疏水聚乙烯的比例，從而產(chǎn)生了這種獨特行為。

“我們意外找到了最佳平衡點，”李在淵解釋道。他指出，表面水滴與下方孔隙中的隱藏“儲水庫”相連，這些“儲水庫”通過空氣中的水蒸氣持續(xù)補充，在親水與疏水材料的精確平衡下形成自我維持的反饋循環(huán)。

研究團隊表示，這一發(fā)現(xiàn)不僅因其材料的非凡性能而激動人心，更因其簡單性與可擴展性。該薄膜由常見聚合物和納米顆粒通過標準工藝制成，可集成于干旱地區(qū)的被動式集水裝置、電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)或濕度響應(yīng)型智能涂層。

“其潛力令人興奮，”帕特爾在聲明中總結(jié)道。他補充說，團隊仍在探索背后的機制，“我們從生物學(xué)中學(xué)習(xí)細胞和蛋白質(zhì)如何在復(fù)雜環(huán)境中管理水分，并將這些知識應(yīng)用于設(shè)計更好的材料。”

團隊下一步目標是優(yōu)化親水與疏水成分的平衡、推動材料規(guī)模化應(yīng)用，并尋找提高水滴從表面滾落效率的方法。

他們希望這一發(fā)現(xiàn)能為干旱地區(qū)清潔水供應(yīng)技術(shù)鋪平道路，并助力開發(fā)僅靠空氣中水蒸氣驅(qū)動的可持續(xù)冷卻系統(tǒng)。

該研究已發(fā)表于《科學(xué)進展》期刊。

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