物質(zhì)相變過程中的液態(tài)水-氣態(tài)水轉(zhuǎn)化機(jī)制，是維系地球水循環(huán)與工業(yè)流程優(yōu)化的物理基礎(chǔ)。通過調(diào)控水分子界面行為，加速太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)界面水蒸發(fā)，成為低能耗地解決全球淡水資源短缺的可行技術(shù)路徑。其核心突破點(diǎn)在于：當(dāng)水分子在納米限域空間中形成亞穩(wěn)態(tài)簇狀結(jié)構(gòu)（水活化）時(shí)，氫鍵重構(gòu)可使相變所需活化能降低34.7%，這種非經(jīng)典蒸發(fā)路徑為突破傳統(tǒng)熱力學(xué)限制提供了新可能。
將輸水通道與蒸發(fā)界面解耦升級(jí)蒸發(fā)界面的通用方法示意圖
針對(duì)這一跨尺度難題，海南大學(xué)黃瑋和張明鑫等人開創(chuàng)性地提出"界面功能解耦-納米限域活化"的協(xié)同設(shè)計(jì)理念：①采用生物質(zhì)衍生的瓊脂多糖構(gòu)建具有水簇模板功能的介孔納米凝膠；②開發(fā)簡(jiǎn)易噴涂技術(shù)，將納米凝膠噴涂于商業(yè)化的傳水基材表面，形成厚度可控的功能界面層。這種分級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成功將輸水通道（基材層）與活化界面（納米凝膠）的空間解耦，界面水蒸發(fā)速率提升幅度最高可達(dá)297%。普通的廉價(jià)無(wú)紡布材料，經(jīng)過噴涂該納米噴劑后，在一個(gè)太陽(yáng)光輻照強(qiáng)度下，其界面蒸發(fā)速率可大幅提升至3.26 kg m-2 h-1。
納米凝膠的多級(jí)結(jié)構(gòu)
作者通過分子自組裝技術(shù)構(gòu)建了瓊脂基納米凝膠（NGs），其核心創(chuàng)新在于 疏水介孔與親水基質(zhì)的協(xié)同設(shè)計(jì)。以硅油（疏水相）和瓊脂（親水相）為原料，通過高溫乳化-冷卻自組裝形成囊泡結(jié)構(gòu)。硅油作為致孔劑，在溶劑萃取后形成疏水介孔通道（孔徑6.2 nm），而瓊脂網(wǎng)絡(luò)提供親水基質(zhì)，確保水分子快速滲透。通過調(diào)節(jié)瓊脂濃度與混合比例，納米凝膠的流體力學(xué)半徑（Rh）可在65–118 nm范圍內(nèi)精確調(diào)控（PDI<0.2），滿足不同基材的界面匹配需求。
納米凝膠的結(jié)構(gòu)研究
創(chuàng)新性解決策略與核心優(yōu)勢(shì)
納米噴霧對(duì)蒸發(fā)材料的界面改性
1.結(jié)構(gòu)解耦設(shè)計(jì)：
傳水基底層：選用商業(yè)化多孔材料（尼龍織物、輕木等）作為水傳輸主體，利用其固有的大孔結(jié)構(gòu)（平均孔徑150-300 μm）實(shí)現(xiàn)高通量輸水。
水活化功能的蒸發(fā)界面層：噴涂介孔納米凝膠（NGs）構(gòu)建活化界面，該納米凝膠表面具有疏水介孔通道，為水簇形成提供了理想的結(jié)構(gòu)模板，使中間水比例提升至60%。
2.納米限域效應(yīng)創(chuàng)新：
疏水介孔內(nèi)水分子擴(kuò)散系數(shù)（1.92×10?? m2/s）較親水通道提升3倍，促進(jìn)水簇從蒸發(fā)界面快速且穩(wěn)定地脫離，降低界面能耗。
3.普適性噴涂工藝：
納米噴霧促進(jìn)水分蒸發(fā)的機(jī)理研究
重要研究結(jié)果
納米凝膠噴涂的蒸發(fā)器表現(xiàn)出卓越的海水淡化性能，表現(xiàn)如下：
適用于多種常規(guī)基底。作者嘗試了5類基材（包括無(wú)紡布、水凝膠、木材、濾膜等），蒸發(fā)速率提升幅度達(dá)197-297%。7天晝夜循環(huán)后性能保持率>95%，5次浸泡-蒸發(fā)循環(huán)后衰減僅14.3%。
納米凝膠噴涂的蒸發(fā)器的實(shí)用性能
全文鏈接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202419243
https://doi.org/10.1002/adma.202419243
