全球淡水短缺日益嚴峻，大氣水收集技術(shù)被視為一種頗具前景的解決方案。然而，該技術(shù)的核心——吸附材料，長期面臨一個難以逾越的瓶頸：吸水動力學(xué)速率與超高吸水容量之間存在著此消彼長的權(quán)衡關(guān)系。傳統(tǒng)材料往往顧此失彼，限制了其在廣泛氣候條件下高效、連續(xù)生產(chǎn)淡水的能力。

近期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授團隊成功利用4D打印技術(shù)，制備出一種新型雙功能水凝膠復(fù)合材料，一舉打破了上述傳統(tǒng)桎梏。該材料巧妙融合了熱響應(yīng)與兩性離子網(wǎng)絡(luò)，并負載了吸濕鹽和光熱轉(zhuǎn)換成分。研究表明，這種4D打印結(jié)構(gòu)不僅在30%-90%的相對濕度范圍內(nèi)展現(xiàn)出超高的吸水容量，其吸水速率也較傳統(tǒng)塊體材料大幅提升，同時還能在太陽光驅(qū)動下快速釋放所捕獲的水分，為實現(xiàn)高效、低能耗、連續(xù)的大氣水收集提供了全新路徑。相關(guān)論文以“4D-Printed Dual-Functional Hydrogels Breaking the Trade-Off Between Rapid Kinetics and Ultrahigh Water Uptake for Atmospheric Water Harvesting”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

這項研究的成功始于精妙的材料設(shè)計與制備。研究人員首先在分子尺度上設(shè)計并合成了一種同時包含熱響應(yīng)性聚合物（PNIPAM）和兩性離子聚合物（PDMPAS）的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠（TZG）。其中，兩性離子組分通過與氯化鋰（LiCl）的強配位作用，將高含量吸濕鹽穩(wěn)定地固定在凝膠網(wǎng)絡(luò)中，并產(chǎn)生“鹽溶”效應(yīng)，極大地增強了材料的溶脹能力和水分捕獲潛力；而熱響應(yīng)組分則賦予了材料溫度敏感的特性。隨后，團隊采用數(shù)字光處理（DLP）這一高精度3D打印技術(shù)，將材料墨水打印成宏觀的六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)。這種精心設(shè)計的結(jié)構(gòu)并非靜止不變，它正是“4D”的奧秘所在——在濕度刺激下，結(jié)構(gòu)能夠發(fā)生動態(tài)溶脹變形。最后，通過引入聚吡咯（PPY），材料獲得了優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換能力，為后續(xù)的太陽能驅(qū)動水釋放奠定了基礎(chǔ)。微觀表征顯示，吸濕鹽均勻分散在材料的分級多孔通道中，有效防止了泄露和團聚。

圖1：(a) 傳統(tǒng)塊體TZG-PPY-LiCl捕獲水分的示意圖。(b) 4D TZG-PPY-LiCl捕獲和釋放水分的機理示意圖。

材料的獨特設(shè)計帶來了非凡的吸水性能。如圖1示意圖所示，與傳統(tǒng)塊狀材料有限的空氣-吸附劑界面和緩慢的吸水動力學(xué)相比，4D打印形成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了豐富的界面，并極大地縮短了水分子向內(nèi)部擴散的路徑。實驗結(jié)果充分印證了這一點：在30%和60%的相對濕度下，4D打印材料分別僅用180分鐘和300分鐘就達到了1.62 g g?1和3.54 g g?1的吸水平衡容量，其吸水速率是傳統(tǒng)塊體材料的兩倍以上。更重要的是，在高濕度（90% RH）條件下，其吸水容量高達6.85 g g?1，同樣遠超塊體材料，真正實現(xiàn)了快速吸水與超高容量的統(tǒng)一。分子動力學(xué)模擬從理論上揭示了性能提升的根源：兩性離子鏈與鋰離子之間更強的相互作用和更大的配位空間，使其能固定更多的鹽離子，從而顯著提升吸水能力。

圖2：(a) 熱響應(yīng)-兩性離子水凝膠（TZG）的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計。(b) 通過數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)打印4D TZG的示意圖。(c) PNIPAM、PDMAPS、TZG和TZG-LiCl的傅里葉變換紅外光譜。(d) PNIPAM、PDMAPS和TZG水凝膠的差示掃描量熱曲線，顯示其相變溫度。(e) 4D TZG-PPY-LiCl的掃描電子顯微鏡圖像，顯示其分層多孔結(jié)構(gòu)。

圖3：(a) PNIPAM、PDMAPS和TZG在不同濃度LiCl水溶液中的溶脹率。(b) PNIPAM-LiCl和 (c) PDMAPS-LiCl體系的分子動力學(xué)模擬快照。(d) PNIPAM和PDMAPS分子鏈的回轉(zhuǎn)半徑。(e) TZG-LiCl水凝膠的模擬單元快照。(f) 不同原子對（包括SpDMAPS-Li?, OPNIPAM-Li?, NPNIPAM-Li?, 和 OPDMAPS-Li?）的徑向分布函數(shù)。

圖4：(a) PNIPAM-PPY-LiCl、塊體TZG-PPY-LiCl和4D TZG-PPY-LiCl在60%相對濕度下12小時內(nèi)的水分吸收動力學(xué)曲線。(c) 三種材料在90%相對濕度下的水分吸收動力學(xué)曲線。(b) 塊體與4D打印 TZG-PPY-LiCl在60%相對濕度下計算得出的水?dāng)U散系數(shù)（Dw）。(d) 三種材料在不同相對濕度（30%, 45%, 60%, 75%, 90%）下的吸水容量。(e) 塊體TZG-LiCl和 (f) 4D TZG-LiCl在90%相對濕度下吸濕12小時后的照片。(g) 4D TZG-PPY、4D TZG-LiCl和4D TZG-PPY-LiCl在30%、60%和90%相對濕度下的吸水容量。(h) 4D TZG-PPY-LiCl與其他先進吸附劑吸水容量的比較。(i) 塊體TZG-PPY-LiCl和 (j) 4D TZG-PPY-LiCl中水分子傳輸行為的有限元模擬。

除了高效捕獲水分，該材料還能在溫和條件下快速釋放水分。這得益于其負載的聚吡咯帶來的高效光熱轉(zhuǎn)換能力。在模擬太陽光照下，材料表面溫度迅速升高并超過熱響應(yīng)組分的臨界相變溫度。如圖5所示，此時材料發(fā)生親水到疏水的轉(zhuǎn)變并伴隨結(jié)構(gòu)收縮，像“擰毛巾”一樣將捕獲的水分快速擠出。在30%相對濕度下吸水飽和后，僅需30分鐘光照即可釋放95%的水分。這種釋放過程所需的能量比純氯化鋰脫附更低，體現(xiàn)了智能聚合物分子設(shè)計在降低能耗方面的優(yōu)勢。經(jīng)過300次連續(xù)的吸-脫附循環(huán)測試，材料仍能保持88%的初始吸水能力和完好的結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

圖5：4D TZG-PPY-LiCl的光熱性能及太陽能驅(qū)動的水分脫附。(a) TZG-LiCl和TZG-PPY-LiCl的紫外-可見-近紅外光譜。(b) 在不同相對濕度下處理后的4D TZG-PPY-LiCl，在模擬一個太陽光照下，其表面溫度隨時間的變化及 (c) 紅外熱成像圖。(d) 在不同相對濕度下處理后的4D TZG-PPY-LiCl，在光照下隨時間變化的水分脫附曲線。(e) 4D TZG-PPY-LiCl的循環(huán)性能（吸濕條件：30% RH, 25°C；脫附條件：一個太陽光照）。(f) 4D TZG-PPY-LiCl釋放和捕獲水分機理示意圖。

為驗證實際應(yīng)用潛力，研究團隊制作了一個雙層大氣水收集裝置，并進行了戶外實驗。如圖6所示，該裝置設(shè)有獨立的水分捕獲室和釋放室，兩層4D打印水凝膠可交替工作，實現(xiàn)日夜連續(xù)產(chǎn)水。戶外測試表明，即使在自然光照波動的情況下，裝置也能穩(wěn)定收集符合世界衛(wèi)生組織飲用水標(biāo)準(zhǔn)的淡水，且材料中的鋰鹽離子遷移量極低，證明了其環(huán)境友好性與實用性。

圖6：(a) 雙層大氣水收集裝置示意圖。(b) 雙層裝置中的水收集過程示意圖。(c) 大規(guī)模4D TZG-PPY-LiCl水凝膠進行水收集與釋放循環(huán)的照片。(d) 戶外實驗中太陽輻照強度和溫度隨時間變化的數(shù)據(jù)。(e) 戶外實驗中收集的水量。(f) 通過電感耦合等離子體發(fā)射光譜法評估的收集水質(zhì)（主要離子濃度）。

綜上所述，這項研究通過4D打印技術(shù)將宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計與智能材料分子設(shè)計相結(jié)合，成功研制出一種兼具超高吸水容量、快速吸水與脫附動力學(xué)、良好循環(huán)穩(wěn)定性及寬濕度適應(yīng)性的雙功能水凝膠。它不僅為突破大氣水收集材料領(lǐng)域的長期瓶頸提供了創(chuàng)新性解決方案，其展示的雙層連續(xù)產(chǎn)水裝置也為該技術(shù)的實際應(yīng)用與推廣奠定了堅實基礎(chǔ)，預(yù)示著下一代高效、智能吸附材料的廣闊前景。