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研究背景

水蒸發(fā)作為自然界與工業(yè)過程中普遍存在的物理現象，對光合作用、物料脫水、海水淡化等關鍵過程的效率具有深遠影響。當前，提升蒸發(fā)性能的主要途徑在于開發(fā)新型蒸發(fā)界面材料，其核心目標是通過調控材料結構以降低蒸發(fā)焓，實現所謂的“超熱蒸發(fā)”。研究指出，在蒸發(fā)界面處，多孔材料能夠破壞水分子的氫鍵網絡，促進“中間水”或“水簇”的形成，從而以團簇形式蒸發(fā)，顯著減少單位質量水蒸發(fā)所需的能量。然而，高性能蒸發(fā)器的設計面臨一個根本性的結構矛盾：高效的水分輸送依賴于親水性大孔（>100 nm）產生的強毛細力，而水分子在界面的活化與低焓蒸發(fā)則需要大量疏水性的納米孔（<10 nm）作為模板來誘導水簇形成并提供巨大的相互作用面積。這一矛盾使得在單一結構中平衡水分輸送與界面活化需求極具挑戰(zhàn)，嚴重制約了低焓蒸發(fā)系統的開發(fā)與應用。因此，迫切需要一種能夠解耦水分輸送通道與蒸發(fā)界面功能的新策略。

相關工作以Mesoporous Nanogel Sprays as Universal EvaporationInterface Modifiers for Boosting Water-Cluster Evaporation為題發(fā)表在《Advanced Materials》期刊上。

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研究內容

本研究圍繞一種新型的介孔納米凝膠噴霧展開，旨在通過一種普適性的界面修飾策略，大幅提升水蒸發(fā)效率。研究的核心內容包含三個緊密關聯的部分。首先，在材料設計合成方面，研究團隊運用分子自組裝技術，以瓊脂為基礎，成功構建了具有獨特囊泡結構的納米凝膠。通過精確調控合成參數，該凝膠被賦予了關鍵的內部結構：其囊泡殼層內形成了六方有序堆積的疏水介孔通道（直徑約6.2納米），而整體表面呈現超親水性。這種“外親水、內疏水”的納米結構是實現功能的基礎。其次，在性能驗證方面，研究將這種納米凝膠分散液噴涂于多種常見親水基材（如織物、水凝膠、木材等）表面，并復合光熱層，制備成復合蒸發(fā)器。實驗結果表明，經此納米噴霧修飾后，材料在模擬太陽光照射下的蒸發(fā)速率得到極大幅度提升（例如在1倍太陽光強下速率達3.26 kg m?2 h?1，提升268%），且該性能提升與凝膠內部的規(guī)整介孔結構直接相關。最后，在機理探究方面，研究通過光譜分析（如拉曼光譜）、熱分析技術（如DSC、STA）以及分子動力學模擬，深入揭示了性能提升的本質。研究發(fā)現，疏水的納米通道能夠作為模板，有效地將水分子組織成“中間水”或水簇，從而顯著削弱了蒸發(fā)所需克服的氫鍵相互作用，降低了蒸發(fā)焓。同時，疏水環(huán)境促進了水簇的快速擴散與逃逸。綜上所述，該工作不僅開發(fā)了一種高效、通用、易于實施的蒸發(fā)界面改性方法，更重要的是從微觀機理上闡明了介孔納米結構在促進低焓水簇蒸發(fā)中的關鍵作用，為未來高性能蒸發(fā)材料的設計提供了清晰的原理指導和新的研究范式。

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研究數據

方案1. 通過解耦水分輸送通道與蒸發(fā)界面實現蒸發(fā)界面升級的通用方法。

圖1. NGs的結構。a) 樣品的FT-IR光譜，b) NGs的 SAXS 曲線，c) NGs的粒徑分布，d) NG1.0-10在不同比例的水/D2O中的SANS曲線，e) 帶有納米通道的NGs示意圖，f) NG1.0-10的SEM圖片。

圖2. 采用納米噴霧對蒸發(fā)材料進行界面改性。a，b) NG1.0-10@fabric 的大規(guī)模制備，c) NGs@織物、塊狀瓊脂和織物在1個太陽輻照下的蒸發(fā)速率，d) 不同噴霧量NG1.0-10下織物在1個太陽輻照下的蒸發(fā)速率，e) 不同輻照強度下織物和 NG1.0-10@fabric 的蒸發(fā)速率，f) NG1.0-10@substrates 和基材在1個太陽輻照下的蒸發(fā)速率。

圖3. 納米噴霧促進水分蒸發(fā)的機制。a) 通過差示掃描量熱法測得的樣品水分蒸發(fā)焓，b) 通過靜態(tài)熱分析測得的樣品水分蒸發(fā)焓，c) 不同納米顆粒和大塊瓊脂凝膠的IW：FW比值，d) 零陽光（暗蒸發(fā)）下樣品的蒸發(fā)速率，e) 313K下納米通道中的水分蒸發(fā)模型，f) 納米限域疏水或親水通道中水分擴散行為的模擬，g) 面料、NG1.0-10和 NG1.0-10@fabric 的吸水時間。

圖4. NGs@基底的實用性。a) NG1.0-10@fabric 與先前報道在0、0.5和1個太陽下的性能比較。綠色背景是常見二維蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率范圍，b) 不同染料溶液（亞甲藍（MB）和蘇丹III）蒸餾前后的紫外-可見吸收光譜，c) 海水淡化前后的離子（Na+、Mg2+、K+和Ca2+）濃度含量，d) NG1.0-10@fabric 蒸發(fā)器通過晝夜工作循環(huán)7天的循環(huán)穩(wěn)定性，e) NG1.0-10@fabric 蒸發(fā)器通過蒸發(fā)-浸泡循環(huán)5天的循環(huán)穩(wěn)定性。

方案2. NGs與普通凝膠中水簇蒸發(fā)的示意圖。

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研究結論

本研究成功開發(fā)了一種基于介孔納米凝膠的通用型噴霧，作為高效的蒸發(fā)界面修飾劑，為解決上述結構矛盾提供了創(chuàng)新方案。通過分子自組裝技術制備的瓊脂基納米凝膠，具有獨特的超親水外殼與內部疏水介孔通道（約6.2 nm）結構。該結構能有效引導并限制水分子，促進“中間水”和水簇的形成，并通過疏水通道加速其脫離界面，從而將蒸發(fā)焓降至約1650 kJ kg?1，遠低于純水的2427 kJ kg?1。當以低劑量（如40 mg cm?2）噴涂于多種親水基材（如尼龍織物、PVA水凝膠、輕木等）表面時，能大幅提升其蒸發(fā)性能。在0.5和1個太陽光照強度下，改性后的蒸發(fā)器蒸發(fā)速率分別達到1.58和3.26 kg m?2 h?1，相比未處理基材提升了高達297%和268%。實驗與分子動力學模擬共同驗證了疏水介孔通道在模板化水簇、削弱水-壁相互作用、從而降低蒸發(fā)焓方面的關鍵機制。

該噴霧技術具有制備簡單、成本低廉、與各種形狀和材質的基材兼容性好等優(yōu)點，在海水淡化（產水符合飲用水標準）、食品脫水、農作物光合作用增強以及工業(yè)涂層干燥等領域展現出巨大的應用潛力。本研究不僅提供了一種普適性的高性能蒸發(fā)材料制備方法，更重要的是為理解并設計基于水簇蒸發(fā)的低焓蒸發(fā)系統建立了清晰的結構-性能關系模型，指明了未來研究應聚焦于材料表面納米結構調控的方向。

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https://doi.org/10.1002/adma.202419243

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