突破物理定律的纳米材料可直接从空气中收集水分

该材料通过毛细冷凝原理工作，即使在湿度较低时，水蒸气也会在微孔中转化为液态水。

美国科学家团队意外发现了一类新型纳米结构材料，能够从空气中捕获水分，将其收集在孔隙中，并在无需外部能源的情况下将水释放到表面。

据报道，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员正在测试一种结合亲水性纳米孔和疏水性聚合物的混合材料时，意外发现材料表面形成了水滴。

“我们甚至没打算收集水，”化学与生物分子工程系Russell Pearce和Elizabeth Crimian Heuer讲席教授李在渊（Daeyeon Lee）表示，“这不符合常理。于是我们开始追问原因。”

受此现象启发，李在渊与化学与生物分子工程系教授阿米什·帕特尔（Amish Patel）、博士后学者金柏珉（Baekmin Kim，音译）以及德国慕尼黑工业大学复杂软物质教授斯特凡·古尔丁（Stefan Guldin）合作，对这种新型两亲性纳米多孔材料展开了深入研究。

研究团队发现，这种材料通过独特的纳米级结构将亲水与疏水成分巧妙结合，未来或将为干旱地区的水资源收集、通过蒸发冷却电子设备或建筑提供新途径。

突破物理定律的材料

通常，水仅在温度下降或湿度较高时才会在表面凝结。然而，依赖这些参数的传统收集方法往往需要能量来冷却表面或依赖浓雾收集水分。

与传统系统不同，这种新材料无需依赖冷却，而是利用毛细冷凝原理，即使低湿度条件下，水蒸气也能在微孔内凝结。随后，水分不会被困在孔隙中，而是移动到表面形成水滴。

“在我们的材料中，水先凝结在孔隙内部，然后以水滴形式出现在表面，”帕特尔解释道。他补充说，在普通纳米多孔材料中，水一旦进入孔隙就会锁定其中，“这种动态过程在此类系统中前所未见，起初我们甚至怀疑自己的观察结果。”

研究团队最初推测水滴形成可能源于实验室环境因素（如温度梯度）导致的表面冷凝。为验证这一点，他们通过增加材料厚度来测试其对集水量影响。

“如果仅是表面冷凝，材料厚度不会改变集水量，”李在渊指出。由于总集水量随薄膜厚度增加而上升，研究团队确认水滴确实来自材料内部而非仅表面凝结。

更令人惊讶的是，水滴未如预期般迅速蒸发。帕特尔强调，根据其曲率和尺寸，这些水滴本应快速消失，但它们却长时间保持稳定。

随后，研究团队将这一“违背物理定律”的材料交给合作者验证，希望确认实验结果是否可独立复现。

古尔丁表示，其团队曾广泛研究多孔薄膜在不同条件下的行为，通过光偏振的细微变化分析复杂纳米级现象，“但我们从未见过这样的现象。这绝对令人着迷，必将激发全新而激动人心的研究。”

被动式集水平台

通过分析结果，团队意识到他们创造的材料完美平衡了亲水纳米颗粒与疏水聚乙烯的比例，从而产生了这种独特行为。

“我们意外找到了最佳平衡点，”李在渊解释道。他指出，表面水滴与下方孔隙中的隐藏“储水库”相连，这些“储水库”通过空气中的水蒸气持续补充，在亲水与疏水材料的精确平衡下形成自我维持的反馈循环。

研究团队表示，这一发现不仅因其材料的非凡性能而激动人心，更因其简单性与可扩展性。该薄膜由常见聚合物和纳米颗粒通过标准工艺制成，可集成于干旱地区的被动式集水装置、电子设备冷却系统或湿度响应型智能涂层。

“其潜力令人兴奋，”帕特尔在声明中总结道。他补充说，团队仍在探索背后的机制，“我们从生物学中学习细胞和蛋白质如何在复杂环境中管理水分，并将这些知识应用于设计更好的材料。”

团队下一步目标是优化亲水与疏水成分的平衡、推动材料规模化应用，并寻找提高水滴从表面滚落效率的方法。

他们希望这一发现能为干旱地区清洁水供应技术铺平道路，并助力开发仅靠空气中水蒸气驱动的可持续冷却系统。

该研究已发表于《科学进展》期刊。