摘要：偶然的观察结果导致了一个令人惊讶的发现：一类新的纳米结构材料，可以从空气中拉出水，将其收集到毛孔中并将其释放到表面上，而无需任何外部能量。该研究描述了一种材料，该材料可以打开新方法，从干旱地区和设备中收集水，这些材料使用蒸发的力量冷却电子或建筑物的设备。...
在宾夕法尼亚工程的化学工程实验室中进行的偶然观察导致了一个令人惊讶的发现：一类新的纳米结构材料可以从空气中拉出水，将其收集到毛孔中并将其释放到表面上，而无需任何外部能量。该研究发表在科学进步, was conducted by an interdisciplinary team, including Daeyeon Lee, Russell Pearce and Elizabeth Crimian Heuer Professor in Chemical and Biomolecular Engineering (CBE), Amish Patel, Professor in CBE, Baekmin Kim, a postdoctoral scholar in Lee's lab and first author, and Stefan Guldin, Professor in Complex Soft Matter at the Technical University of Munich.他们的作品描述了一种材料，该材料可以打开新方法，以从干旱地区和设备中收集水，这些材料使用蒸发的力量冷却电子或建筑物的设备。
李说：“我们甚至都不想收集水。” “当我们实验室中的一名前博士学位学生巴拉特·维卡特斯（Bharath Venkatesh）注意到，我们正在测试的材料上出现水滴。这是我们没有感觉到的。这是我们开始提出问题时，我们正在研究另一个项目，研究了亲水性纳米孔和疏水聚合物的组合。
这些问题导致了对一种新型的两亲性纳米多孔材料的深入研究：一种将热爱水的（亲水性）和防水（疏水性）组件混合在独特的纳米级结构中。结果是一种材料，两者都捕获空气中的水分，并同时将水分推出为液滴。
水纳米孔
当水在表面上凝结时，通常需要温度下降或湿度很高。常规的水采集方法依赖于这些原理，通常需要能量输入以冷却表面或致密的雾，以形成从潮湿环境中被动地收集水。但是Lee和Patel的系统的工作方式有所不同。
它们的材料不是冷却，而是依靠毛细管凝结，该过程即使在较低的湿度下，水蒸气在微小的毛孔中凝结。这不是新事物。新的是，在他们的系统中，水不仅像通常在这些类型的材料中一样被困在毛孔中。
帕特尔解释说：“在典型的纳米多孔材料中，一旦水进入毛孔，它就会留在那里。” “但是在我们的材料中，水会在毛孔内部凝结，然后以液滴的形式凝结在表面上。在这样的系统中从未见过，起初我们怀疑我们的观察结果。”
违反物理的材料
在他们理解发生的事情之前，研究人员首先认为，由于其实验设置的伪像，例如实验室中的温度梯度，水只是简单地凝结在材料表面上。为了排除这一点，他们增加了材料的厚度，以查看表面上收集的水量是否会改变。
Lee解释说：“如果我们观察到的是仅由于表面冷凝而引起的，那么材料的厚度就不会改变存在的水量。”
但是，随着膜的厚度的增加，收集的水总量增加，证明表面形成的水滴来自材料内部。
更令人惊讶的是：如热力学预测的那样，液滴并没有迅速蒸发。
帕特尔说：“根据液滴的曲率和大小，它们应该蒸发。” “但是他们不是；它们长期保持稳定。”
李和帕特尔（Lee and Patel）凭借有可能无视物理定律的材料将其设计发送给了一个合作者，以查看他们的结果是否可复制。
Guldin说：“我们使用光偏振的细微变化来探测复杂的纳米级现象，研究多孔膜。” “但是我们从未见过这样的东西。这绝对令人着迷，并且显然会引发新的令人兴奋的研究。”
凝结和释放的稳定循环
事实证明，他们创造了一种材料，其材料与吸水纳米颗粒和依赖水的塑料（聚乙烯）之间的材料合适，以创建具有这种特殊特性的纳米颗粒膜。
李说：“我们不小心打入了最佳位置。” “这些液滴连接到下面毛孔中的隐藏储层。这些储层是通过空气中的水蒸气不断补充的，从而创造了一种反馈回路，这是通过这种热爱水和替水材料的完美平衡而实现的。”
被动水的平台和更多的平台
除了物理违反行为之外，材料的简单性是使它们如此有前途的一部分。这些薄膜由使用可扩展的制造方法制成的通用聚合物和纳米颗粒制成，可以将其集成到干旱地区的被动水收集设备中，用于冷却电子的表面或响应环境湿度的智能涂料。
帕特尔说：“我们仍在发现发挥作用的机制。” “但是潜力令人兴奋。我们正在从生物学中学习 - 细胞和蛋白质如何在复杂的环境中管理水 - 并将其应用于设计更好的材料。”
Lee补充说：“这正是宾夕法尼亚州所做的最佳选择，将化学工程，材料科学，化学和生物学方面的专业知识汇总在一起，以解决大问题。”
接下来的步骤包括研究如何优化亲水和疏水成分的平衡，扩展现实世界中使用的材料，并研究如何使收集的液滴有效地从表面上滚下来。
最终，研究人员希望这一发现将导致技术在干燥的气候下提供干净的水或仅使用空中水蒸气的更可持续的冷却方法。
这项工作得到了美国国家科学基金会（National Science Foundation）的支持NSF-2309043和NSF-1933704，这是能源赠款部（DE-SC0021241），Semilab UCL化学工程Impact Ph.D.学生奖学金，国家科学基金会研究生研究奖学金计划赠款（DGE-2236662），阿尔弗雷德·P·斯隆研究基金会赠款（FG-2017-9406）和Camille＆Henry＆Henry＆Henry＆Henry＆Henry＆Henry＆Henry＆Henry＆Henry＆Henry＆Henry＆Henry＆Henry Dreyfus Foundation（TG-19-033）。
