水是人類社會生存與發(fā)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(fā)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(fā)表。
(資料圖)
“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?！眻F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(fā)揮著不可或缺的作用，以高效經(jīng)濟的方式生產(chǎn)淡水，對人類社會可持續(xù)發(fā)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(fā)集水是解決全球淡水資源短缺最有前途和綠色可持續(xù)的解決方案之一。
然而，受陽光輻照時長和地域環(huán)境限制，光熱界面蒸發(fā)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(jù)介紹，霧經(jīng)常出現(xiàn)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(fā)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(fā)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(huán)境，沙漠里的甲蟲身體表面都會有一些凸起結(jié)構(gòu)，這類凸起形成一種“親水結(jié)構(gòu)”，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(fā)，該團隊采用工業(yè)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(jié)構(gòu)的微/納結(jié)構(gòu)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(fā)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(gòu)建異質(zhì)潤濕的表面潤濕狀態(tài)，整體呈現(xiàn)超疏水的花瓣效應，但是由此可能損失材料的界面蒸發(fā)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(diào)控和優(yōu)化，實現(xiàn)了多種性能的平衡和協(xié)同提升。
集水新材料綠色可持續(xù)
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(fā)的聚合物成型加工設備進行熔融共混加工，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)模板的模具型腔中進行壓縮成型，獲得微納結(jié)構(gòu)復合材料。
第二步，利用水將微納結(jié)構(gòu)復合材料內(nèi)部的犧牲性模板去除，從而獲得具有三維互連開孔結(jié)構(gòu)的泡沫材料；此外，利用外力將表面的微納結(jié)構(gòu)模板脫除，即泡沫材料的表面形成微納結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)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(huán)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(fā)的集水新材料為后續(xù)水資源處理節(jié)約了過濾成本。
未來，這種新材料在沿海地區(qū)、中部地區(qū)及沙漠地區(qū)大有可為。雖然沿海地區(qū)不缺水，但該新材料可以將豐富的海水資源轉(zhuǎn)化為淡水資源，讓水資源得到更加充足利用；沙漠地區(qū)則可以在夜間或者清晨，將空氣中的霧氣、露珠等集結(jié)，實現(xiàn)防霧集水；對于中部地區(qū)而言，可以將該材料懸浮在污水之上，實現(xiàn)污水凈水處理。
（原標題：新型綠色材料應對全球淡水危機）
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