發布時間：2023年4月10日
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水是人類社會生存與發展必不可少的重要自然資源。同時，水資源分布不均，大量安全和清潔水資源的儲備有限，目前全球有超過10億人遭受飲用水短缺的困擾。
4月9日，記者從華中科技大學獲悉，中國工程院瞿金平院士團隊研發了一種新型淡水收集泡沫材料，相關研究成果日前在學術期刊《Small》上發表。
“這種泡沫材料具備良好的超疏水性、耐酸堿性、耐熱性和主動/被動除冰性，能保障其在戶外實際應用中長時間工作。”團隊成員吳婷表示，他們的科研工作所提出的全天候淡水收集材料制備方法，為解決全球水資源短缺問題提供了一個良好的解決方案。
三年攻堅突破“矛盾體”
淡水資源在所有生物的生命過程中發揮著不可或缺的作用，以高效經濟的方式生產淡水，對人類社會可持續發展至關重要。受全球氣候變暖等影響，淡水資源日益稀缺。
目前，太陽能光熱界面蒸發集水是解決全球淡水資源短缺最有前途和綠色可持續的解決方案之一。
然而，受陽光輻照時長和地域環境限制，光熱界面蒸發集水僅能在光照充足時工作，更無法捕獲隱藏在海面（岸）霧氣中淡水，即無法全天候工作。
據介紹，霧經常出現在日落或清晨的海岸和海面上，是一種重要的淡水資源。防霧集水作為一種綠色、低成本的水收集方法，受到廣泛關注。
此前，瞿金平院士華科大團隊已在太陽能光熱界面蒸發集水和防霧集水方面開展了許多相關工作，作為解決目前淡水資源危機的有效途徑，這兩種方法各自存在其局限性。為此，該團隊嘗試將兩種功能集成起來，開發一種全天候的淡水收集材料。
沙漠中的淡水資源十分匱乏，基于自身生存環境，沙漠里的甲蟲身體表面都會有一些凸起結構，這類凸起形成一種“親水結構”，讓它們可以收集夜晚及日出之前的霧氣。
受動物仿真的啟發，該團隊采用工業化的微擠出壓縮成型技術，制備了一種具有三維互連開孔結構的微/納結構聚乙烯/碳納米管(MN-PCG)泡沫材料。
“同時平衡幾種本身存在矛盾關系的性能，這是制備過程中遇到的最大困難。”吳婷說，如想要界面蒸發性能好，就需連通蒸汽逃逸通道，即較高的泡沫開孔率，但是太高的犧牲性模板含量往往又會大幅度降低材料的力學性能；又比如要防霧集水性能好，需構建異質潤濕的表面潤濕狀態，整體呈現超疏水的花瓣效應，但是由此可能損失材料的界面蒸發性能。
最終，歷時三年攻堅克難，團隊通過大量的理論分析和實驗探索，對材料配方和成型工藝進行調控和優化，實現了多種性能的平衡和協同提升。
集水新材料綠色可持續
吳婷說，MN-PCG泡沫材料制備過程大概可分為兩步:
首先以聚乙烯為聚合物基體、無水硫酸鈉為犧牲性模板、碳納米管為光熱填料，采用該團隊自主研發的聚合物成型加工設備進行熔融共混加工，實現微米級無水硫酸鈉和納米級碳納米管在聚乙烯基體中的均勻分散，得到復合材料熔體；復合材料熔體被擠出至表面附有微納結構模板的模具型腔中進行壓縮成型，獲得微納結構復合材料。
第二步，利用水將微納結構復合材料內部的犧牲性模板去除，從而獲得具有三維互連開孔結構的泡沫材料；此外，利用外力將表面的微納結構模板脫除，即泡沫材料的表面形成微納結構，從而實現MN-PCG泡沫材料的設計與制備。
“最為關鍵的是，制作該特殊材料的原材料都是綠色環保材料，且我們最終收集到的淡水，已達到WHO制定的飲用水標準，可以直接飲用。”吳婷表示，可以自信地說，團隊研發的集水新材料為后續水資源處理節約了過濾成本。
未來，這種新材料在沿海地區、中部地區及沙漠地區大有可為。雖然沿海地區不缺水，但該新材料可以將豐富的海水資源轉化為淡水資源，讓水資源得到更加充足利用；沙漠地區則可以在夜間或者清晨，將空氣中的霧氣、露珠等集結，實現防霧集水；對于中部地區而言，可以將該材料懸浮在污水之上，實現污水凈水處理。
來源：中國科技網 2023.4.10