基于不对称亲水性驱动的快速水分扩散促成异质吸湿凝胶以实现高产量大气取水

把空气变成隐藏的水源

许多干旱地区的天空里充满了很少以降雨形式出现的水汽。本研究探讨了一种新型海绵状材料，能够从空气中吸取这种看不见的水分，并仅用阳光将其释放为清洁液态水。研究展示了如何通过精心分层的凝胶实现大量吸水并迅速释放，指向了未来可能在传统水源匮乏地区提供饮用水的简易装置。

为什么从空气中收集水很困难

水收集材料必须同时完成两项相反的任务：既要足够强地抓住水分以收集它，又要在加热时能轻易释放它。传统凝胶通过在统一网络中填充大量亲水基团来实现良好的吸水，但这种黏附性会减缓水在材料中的移动，导致外表面被堵塞而内部区域空置。工程师们尝试通过复杂孔结构解决这一问题，但很难同时调节孔的尺寸和形状以兼顾水的捕获与释放。

具有不同功能分层的海绵

研究人员通过构建一种“异质”凝胶打破了这一僵局，不同层承担不同角色。外层壳体由果胶构成——一种植物基聚合物，也用于制作果酱。它富含易与水结合的化学基团，因此充当前线，将空气中的水汽转化为液体。在这一壳体内部排列着几片薄薄的氧化石墨烯片，这种碳材料表面皱折、亲水位点较少。整个堆叠结构中充满了甘油，这是一种安全的糖浆状液体，有助于将水向内拉拽。该设计将水的捕获位置与储存和运输位置分离，使每一部分都能针对其任务进行优化。

水如何快速进入并流出

当潮湿空气接触到凝胶时，果胶外壳迅速吸附水汽并将其凝结成微小液滴。随后甘油像分子传送带一样，将这些液滴拖入氧化石墨烯片之间的缝隙。由于这些片较为光滑且粘性较低，水在其中的束缚较弱，能够沿着由皱褶形成的狭窄通道快速移动。计算机模拟和核磁共振实验表明，与均相凝胶不同，这种分层结构内的大部分水表现得像自由流动的液体，而不是被强键束缚在原地。

在真实阳光下的高产量

氧化石墨烯片还兼具高效太阳加热器的功能。在普通阳光下它们能吸收宽波段光并加热周围的水分。热量从内部片层向外扩散，驱动水分子朝向表面蒸发，然后在较冷的覆盖物上冷凝并被收集。测试显示，该凝胶的吸水量取决于湿度，可在自身重量至近七倍之间，并且能在不到一小时内释放超过90%的储存水分。不同气候条件下的户外试验显示，每千克凝胶每天可产出数升水，收集到的水符合国际纯度标准。

这对未来供水意味着什么

通过在一种材料中有意混合更亲水和较少亲水的区域，这项工作挑战了“只要提高材料亲水性就能改善性能”的常见观点。相反，研究表明赋予不同层不同任务可以同时提升水的捕获量和流动速度。可生物降解的外壳和可重复使用的碳基核心也表明系统不仅高效，而且更加环保。虽然在将此类凝胶变成日常装置前还需要更多工程改进，但该概念为在有阳光的任何地方悄然从空气中获取淡水提供了一条清晰的可行路径。

引用: Han, R., Wu, X., Zhu, Y. et al. Asymmetric hydrophilicity-driven fast water diffusion enabling heterogeneous hygroscopic gels toward high-yield atmospheric water harvest. Nat Commun 17, 4571 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71259-5

关键词: 大气取水, 吸湿凝胶, 氧化石墨烯, 太阳能海水淡化, 从空气获取淡水