麻省理工学院的工程师合成了一种超级吸水材料

麻省理工学院的工程师合成了一种超级吸水材料，即使在沙漠般的条件下，它也能从空气中吸收创纪录的水分。

当材料吸收水蒸气时，它会膨胀以为更多水分腾出空间。即使在非常干燥的条件下，相对湿度为 30%，该材料也可以从空气中吸收水蒸气并保持水分而不泄漏。然后可以将水加热和冷凝，然后收集为超纯水。

这种透明的橡胶状材料由水凝胶制成，水凝胶是一种天然吸收性材料，也用于一次性尿布。该团队通过向水凝胶中注入氯化锂来增强水凝胶的吸收能力——氯化锂是一种众所周知的强干燥剂盐。

研究人员发现，他们可以向水凝胶中注入比之前研究更多的盐。结果，他们观察到载盐凝胶在一系列湿度水平下吸收并保留了前所未有的水分，包括限制其他材料设计的非常干燥的条件。

如果能够快速、大规模地制造，超吸水凝胶可以用作被动水收集器，特别是在沙漠和干旱地区，材料可以持续吸收蒸汽，然后可以将其冷凝成饮用水. 研究人员还设想，这种材料可以作为节能除湿元件安装在空调装置上。

“我们一直与应用无关，因为我们主要关注材料的基本特性，”麻省理工学院机械工程研究生兼设备研究实验室成员 Carlos Díaz-Marin 说。“但现在我们正在探索截然不同的问题，例如如何提高空调效率以及如何收集水。这种材料由于其低成本和高性能，具有巨大的潜力。”

Díaz-Marin 和他的同事在今天发表在Advanced Materials上的一篇论文中发表了他们的研究结果 。该研究的麻省理工学院合著者是 Gustav Graeber、Leon Gaugler、Yang Zhong、Bachir El Fil、Xinyue Liu 和 Evelyn Wang。

“两全其美”

在麻省理工学院的设备研究实验室，研究人员正在设计新材料来解决世界能源和水的挑战。在寻找有助于从空气中收集水的材料时，该团队将注意力集中在水凝胶上——一种光滑、有弹性的凝胶，主要由水和少量交联聚合物制成。多年来，水凝胶一直被用作尿布的吸水材料，因为当水凝胶与这种材料接触时，它们会膨胀并吸收大量的水。

“我们的问题是，我们如何才能使这项工作同样有效地吸收空气中的水蒸气?” 迪亚兹-马林说。

他和他的同事翻阅了文献，发现其他人已经尝试过将水凝胶与各种盐混合。某些盐，例如用于融化冰的岩盐，在吸收水分(包括水蒸气)方面非常有效。其中最好的是氯化锂，这种盐能够吸收自身质量 10 倍以上的水分。单独成堆的氯化锂可以吸收空气中的蒸气，但水分只会聚集在盐周围，无法保留吸收的水分。

因此，研究人员试图将盐注入水凝胶中——生产一种既能保持水分又能膨胀以容纳更多水的材料。

“这是两全其美，”格雷伯说，他现在是柏林洪堡大学的首席研究员。“水凝胶可以储存大量的水，盐可以捕获大量的水蒸气。所以你很想把两者结合起来是很直观的。”

加载时间

但是麻省理工学院的团队发现其他人已经达到了他们可以加载到凝胶中的盐量的极限。迄今为止性能最好的样品是每克聚合物注入 4 至 6 克盐的水凝胶。在相对湿度为 30% 的干燥条件下，这些样品每克材料吸收约 1.5 克蒸汽。

在大多数研究中，研究人员之前通过将水凝胶浸泡在盐水中并等待盐注入凝胶来合成样品。大多数实验在 24 到 48 小时后结束，因为研究人员发现这个过程太慢了，凝胶中的盐分并不多。当他们测试所得材料吸收水蒸气的能力时，样品吸收的很少，因为它们首先含有很少的盐来吸收水分。

如果允许物质合成持续数天甚至数周，会发生什么情况?如果给予足够的时间，水凝胶能否吸收更多的盐分?为了找到答案，麻省理工学院的团队用聚丙烯酰胺(一种常见的水凝胶)和氯化锂(一种高吸水性盐)进行了实验。在通过标准混合方法合成水凝胶管后，研究人员将这些管切成薄片，并将每个薄片放入具有不同盐浓度的氯化锂溶液中。他们每天将圆盘从溶液中取出来称重并确定注入凝胶中的盐量，然后将它们放回溶液中。

最后，他们发现，确实，如果时间更长，水凝胶会吸收更多的盐分。在盐溶液中浸泡 30 天后，水凝胶结合了多达 24 种盐，而之前的记录是每克聚合物含 6 克盐。

然后，该团队将各种含盐凝胶样品放入一系列湿度条件下进行吸收测试。他们发现样品可以在所有湿度水平下膨胀并吸收更多水分，而不会泄漏。最值得注意的是，该团队报告说，在相对湿度为 30% 的非常干燥的条件下，凝胶捕获了每克材料 1.79 克水的“破纪录”。

“夜间的任何沙漠都会有那么低的相对湿度，因此可以想象，这种材料可以在沙漠中产生水，”Díaz-Marin 说，他现在正在寻找加速材料超吸水性能的方法。

“最大的、意想不到的惊喜是，通过这种简单的方法，我们能够获得迄今为止报道的最高蒸汽吸收量，”Graeber 说。“现在，主要关注点将是动力学以及我们能让材料吸收水分的速度。这将使您能够非常快速地循环使用这种材料，这样您就可以一天收集 24 次水，而不是每天一次回收水。”

这项研究得到了能源效率和可再生能源办公室以及瑞士国家科学基金会的部分支持。