2024 年 4 月 23 日，沙特阿拉伯（下稱“沙特”）阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)甘巧強(qiáng)教授和團(tuán)隊(duì)，在沙特圖瓦海濱小鎮(zhèn)開展了一場(chǎng)戶外實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中，他們監(jiān)測(cè)了冷凝面積為 30×30 cm2 的大氣水收集原型設(shè)備。當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到 30 分鐘時(shí)，其觀察到潤(rùn)滑表面由于重力作用，迅速形成并脫落了毫米大小的水滴。

“這個(gè)令人興奮的時(shí)刻標(biāo)志著我們的系統(tǒng)在自然大氣條件下的被動(dòng)水收集效果得到了驗(yàn)證，也是本次研究所取得的重要突破，未來(lái)將有助于應(yīng)對(duì)水資源短缺問題?！备是蓮?qiáng)表示。

圖 | 甘巧強(qiáng)和團(tuán)隊(duì)：(左) 張瑋泓（Dan Daniel）、（中）甘巧強(qiáng)、（右）Shakeel Ahmad（來(lái)源：甘巧強(qiáng)）

具體來(lái)說(shuō)，他和課題組開發(fā)出一種具有垂直輻射制冷表面的空氣水收集系統(tǒng)。

其中，垂直輻射冷卻膜通過銀鏡向冷空發(fā)射紅外波，以降低其自身溫度。

在銀鏡的另一側(cè)，課題組通過使用潤(rùn)滑劑來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的水滴生成和收集，最終能夠?qū)崿F(xiàn)高效的室內(nèi)外露水冷凝和收集。

這一方案旨在解決傳統(tǒng)向天冷凝器的低效問題，通過將局部冷卻功率密度加倍，來(lái)簡(jiǎn)化水的冷凝過程和收集過程。

即便是垂直表面，在水珠太小的時(shí)候也不會(huì)滑落，因?yàn)檫@主要是由水滴和界面的表面張力決定的。

而如果希望空氣中的水汽不斷地在垂直表面冷凝，則需要將之前形成的水珠盡快去除，以便形成一個(gè)快速、連續(xù)不斷的“水流”通道。

同時(shí)，課題組選擇液體浸潤(rùn)的光滑表面來(lái)加速水滴的收集。

對(duì)于提高大氣水收集的效率來(lái)說(shuō)，垂直排列的收集表面至關(guān)重要，因此本次方法能夠?yàn)榇髿馑占到y(tǒng)提供一種有效方法。

同時(shí)，通過本次系統(tǒng)還能提供一個(gè)完全無(wú)需耗電的空氣取水裝置，尤其適合熱帶和亞熱帶等空氣濕度較大的地區(qū)。

（來(lái)源：Advanced Materials）

在應(yīng)用前景上：

一方面，它可以提供額外的淡水來(lái)源，在遭遇自然災(zāi)害時(shí)期可以充當(dāng)急救工具。

另一方面，它還能為居家園藝和農(nóng)業(yè)設(shè)施提供新型水源，以用于補(bǔ)充植物灌溉所需的淡水，尤其適合在海島、海岸等淡水資源缺乏但是空氣水資源充分的地區(qū)發(fā)展新型農(nóng)業(yè)。

目前，甘巧強(qiáng)課題組正在和農(nóng)業(yè)科學(xué)家、以及工業(yè)界合作者（比如阿美石油和未來(lái)城市 NEOM）一起推動(dòng)空氣取水技術(shù)在沙漠地帶的應(yīng)用，以便驗(yàn)證該技術(shù)在不同環(huán)境條件下的可行性和推廣的渠道。

此前論文曾被 Nature 予以亮點(diǎn)報(bào)道

淡水資源緊缺，是人類面臨的全球性挑戰(zhàn)，特別是沙特地區(qū)淡水資源尤其缺乏。

沙特也是全世界利用反向滲透膜技術(shù)產(chǎn)生淡水需求最大的國(guó)家，在這個(gè)過程中會(huì)耗費(fèi)巨大的電力，同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的環(huán)境污染。

因此，尋求新的淡水資源是甘巧強(qiáng)課題組的研究重點(diǎn)之一。在自然環(huán)境中，不僅江河湖泊等傳統(tǒng)水源中存在淡水，空氣中也擁有無(wú)處不在的淡水。

并且，空氣中的含水量大約是人類已知液態(tài)淡水的 6 倍。但是，氣態(tài)水通常只在晨昏時(shí)分自然冷凝成人類常見的露水，因此很少能被實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的大規(guī)模應(yīng)用。

近年來(lái)，空氣取水這一手段廣受關(guān)注，研究人員開發(fā)了各種微納結(jié)構(gòu)、材料和系統(tǒng)，旨在從空氣中盡可能多地提取出液態(tài)水來(lái)供應(yīng)人類的日常消耗。

特別需要指出的是，取水的難易程度很大程度上取決于當(dāng)?shù)丨h(huán)境的濕度，也就是空氣中的絕對(duì)含水量。

甘巧強(qiáng)團(tuán)隊(duì)所在的阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)位于中東地區(qū)的紅海之濱，夏季陽(yáng)光明媚且濕度很高，因此天然具有充足的空氣水資源。

近年來(lái)，他和團(tuán)隊(duì)一直致力于針對(duì)區(qū)域性需求開發(fā)永續(xù)型清潔能源和制冷技術(shù)，并在輻射制冷上取得了一些進(jìn)展。

輻射制冷，通常是將水平放置的物體表面的熱輻射釋放到外太空（又稱“天空制冷”），從而實(shí)現(xiàn)不耗電的降溫效果，目前已經(jīng)成為各國(guó)科學(xué)家競(jìng)相研究的熱點(diǎn)。

這一技術(shù)在常年高溫的中東地區(qū)十分具備應(yīng)用前景。2021 年，甘巧強(qiáng)課題組和美國(guó)威斯康星大學(xué)喻宗夫教授合作，在 PNAS 發(fā)表論文并首次展示了利用天空制冷加速濕潤(rùn)空氣中的水蒸氣的冷凝 [1]。

同年，雙方又在 Cell?Reports Physical Science 發(fā)表論文，借此展示了一個(gè)將熱輻射表面垂直放置的制冷系統(tǒng)，并展示了將制冷功率密度加倍的方案 [2]，同時(shí)該論文還得到了 Nature 的亮點(diǎn)報(bào)道 [3]。

將熱輻射表面垂直放置的制冷系統(tǒng)具有兩個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：

首先，它可以在白天環(huán)境下率先達(dá)到冷凝條件，而無(wú)需等到晨昏時(shí)分。

其次，一旦收集到空氣中的水滴，在重力作用之下，垂直表面比水平表面更加有利于水滴滑落，從而能夠提高液態(tài)水的收集效率。

基于此，甘巧強(qiáng)團(tuán)隊(duì)結(jié)合前兩個(gè)工作，開發(fā)了本次空氣水收集系統(tǒng)。

（來(lái)源：Advanced Materials）

廉價(jià)簡(jiǎn)易的大氣水收集系統(tǒng)

一直以來(lái)，輻射冷卻都被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)大氣水收集的一個(gè)“潛力股”技術(shù)。

該技術(shù)能將材料的熱輻射發(fā)射到天空，進(jìn)而使材料表面冷卻至露點(diǎn)以下，從而在無(wú)需外部能量輸入的情況下就能實(shí)現(xiàn)水分冷凝。

這種不耗電的冷卻方法，特別適用于炎熱干燥的地區(qū)，并能為大氣水收集提供新的方向。

如前所述，該團(tuán)隊(duì)曾研發(fā)出一種雙面熱輻射的垂直冷卻系統(tǒng)，這一系統(tǒng)使用了獨(dú)特的 V 形結(jié)構(gòu)，并結(jié)合了光譜選擇性反射鏡和中央垂直****。

然而，由于****被密封在聚乙烯膜之中，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)大氣水冷凝。

盡管冷卻效果顯著，但此前并未實(shí)現(xiàn)戶外的空氣水冷凝。后來(lái)，甘巧強(qiáng)課題組開發(fā)出一種垂直架構(gòu)，并將冷凝器暴露于大氣空氣中以實(shí)現(xiàn)水氣冷凝。

為了模擬自然輻射冷卻，他們使用液氮作為冷源。初步實(shí)驗(yàn)表明，水蒸氣可以在設(shè)備的冷凝側(cè)凝結(jié)。

然而，他們又發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)問題：即便是垂直表面，冷凝的水滴依然很容易粘附在表面上不往下滑，導(dǎo)致液滴的收集效率低下。

于是，在阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)潤(rùn)滑表面專家張瑋泓（Dan Daniel）教授的幫助之下，他們進(jìn)一步引入由聚二甲基硅氧烷彈性體與硅油混合形成的潤(rùn)滑表面。

通過這種表面處理的方法，水滴能夠輕松滑落，并能夠利用重力進(jìn)行水收集，從而可以顯著提高系統(tǒng)的集水效率。

與此同時(shí)，技術(shù)的可擴(kuò)展性和成本效益，也是該團(tuán)隊(duì)的主要考量因素。為此，他們選擇聚二甲基硅氧烷、硅油和鋁等經(jīng)濟(jì)且高效的商用材料。

“這一選擇對(duì)于在資源有限的偏遠(yuǎn)地區(qū)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可行性至關(guān)重要?！备是蓮?qiáng)表示。

（來(lái)源：Advanced Materials）

在實(shí)驗(yàn)室取得良好效果之后，他們又開展了文章開頭的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。即在室外環(huán)境中部署一個(gè)冷凝面積為 30×30cm2 的原型裝置，以評(píng)估其在自然大氣條件下的性能。

在測(cè)試環(huán)境溫度 23℃-30℃ 之間、對(duì)濕度為 70%-85% 的戶外條件下，其所設(shè)計(jì)的原型設(shè)備成功實(shí)現(xiàn)了水滴凝結(jié)和水滴收集，證明其在現(xiàn)實(shí)條件之下具有可行性。

通過此，他們開發(fā)出一種廉價(jià)簡(jiǎn)易的大氣水收集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一種高效可持續(xù)的水資源解決方案。

總的來(lái)說(shuō)，這款系統(tǒng)能夠提供分布式的可再生水源，對(duì)于解決基礎(chǔ)設(shè)施缺乏的貧困地區(qū)的水資源問題尤為重要，有助于緩解氣候變化和水資源枯竭帶來(lái)的影響。

日前，相關(guān)論文以《用于輻射冷卻和大氣集水的垂直雙面結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑表面》（Lubricated Surface in a Vertical Double-Sided Architecture for Radiative Cooling and Atmospheric Water Harvesting）為題發(fā)在 Advanced Materials[4]。

沙基爾·艾哈邁德（Shakeel Ahmad）是第一作者，張瑋泓（Dan Daniel）和甘巧強(qiáng)擔(dān)任共同通訊作者。

圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Advanced Materials）

后續(xù)，他們將推動(dòng)該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。其中一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是擴(kuò)大現(xiàn)有原型的規(guī)模，通過開發(fā)更大的系統(tǒng)，來(lái)將本次技術(shù)部署在水資源有限的干旱地區(qū)和偏遠(yuǎn)地區(qū)。

為此，他們需要進(jìn)一步測(cè)試和優(yōu)化系統(tǒng)性能，以確保其在不同環(huán)境條件下均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效的工作。

此外，課題組還計(jì)劃優(yōu)化材料、探索新的涂層和表面處理，以便提高水冷凝率和被動(dòng)收集效率。