該材料通過毛細冷凝原理工作，即使在濕度較低時，水蒸氣也會在微孔中轉化為液態水。

美國科學家團隊意外發現了一類新型納米結構材料，能夠從空氣中捕獲水分，將其收集在孔隙中，并在無需外部能源的情況下將水釋放到表面。

據報道，賓夕法尼亞大學工程與應用科學學院的研究人員正在測試一種結合親水性納米孔和疏水性聚合物的混合材料時，意外發現材料表面形成了水滴。

“我們甚至沒打算收集水，”化學與生物分子工程系Russell Pearce和Elizabeth Crimian Heuer講席教授李在淵（Daeyeon Lee）表示，“這不符合常理。于是我們開始追問原因。”

受此現象啟發，李在淵與化學與生物分子工程系教授阿米什·帕特爾（Amish Patel）、博士后學者金柏珉（Baekmin Kim，音譯）以及德國慕尼黑工業大學復雜軟物質教授斯特凡·古爾丁（Stefan Guldin）合作，對這種新型兩親性納米多孔材料展開了深入研究。

研究團隊發現，這種材料通過獨特的納米級結構將親水與疏水成分巧妙結合，未來或將為干旱地區的水資源收集、通過蒸發冷卻電子設備或建筑提供新途徑。

突破物理定律的材料

通常，水僅在溫度下降或濕度較高時才會在表面凝結。然而，依賴這些參數的傳統收集方法往往需要能量來冷卻表面或依賴濃霧收集水分。

與傳統系統不同，這種新材料無需依賴冷卻，而是利用毛細冷凝原理，即使低濕度條件下，水蒸氣也能在微孔內凝結。隨后，水分不會被困在孔隙中，而是移動到表面形成水滴。

“在我們的材料中，水先凝結在孔隙內部，然后以水滴形式出現在表面，”帕特爾解釋道。他補充說，在普通納米多孔材料中，水一旦進入孔隙就會鎖定其中，“這種動態過程在此類系統中前所未見，起初我們甚至懷疑自己的觀察結果。”

研究團隊最初推測水滴形成可能源于實驗室環境因素（如溫度梯度）導致的表面冷凝。為驗證這一點，他們通過增加材料厚度來測試其對集水量影響。

“如果僅是表面冷凝，材料厚度不會改變集水量，”李在淵指出。由于總集水量隨薄膜厚度增加而上升，研究團隊確認水滴確實來自材料內部而非僅表面凝結。

更令人驚訝的是，水滴未如預期般迅速蒸發。帕特爾強調，根據其曲率和尺寸，這些水滴本應快速消失，但它們卻長時間保持穩定。

隨后，研究團隊將這一“違背物理定律”的材料交給合作者驗證，希望確認實驗結果是否可獨立復現。

古爾丁表示，其團隊曾廣泛研究多孔薄膜在不同條件下的行為，通過光偏振的細微變化分析復雜納米級現象，“但我們從未見過這樣的現象。這絕對令人著迷，必將激發全新而激動人心的研究。”

被動式集水平臺

通過分析結果，團隊意識到他們創造的材料完美平衡了親水納米顆粒與疏水聚乙烯的比例，從而產生了這種獨特行為。

“我們意外找到了最佳平衡點，”李在淵解釋道。他指出，表面水滴與下方孔隙中的隱藏“儲水庫”相連，這些“儲水庫”通過空氣中的水蒸氣持續補充，在親水與疏水材料的精確平衡下形成自我維持的反饋循環。

研究團隊表示，這一發現不僅因其材料的非凡性能而激動人心，更因其簡單性與可擴展性。該薄膜由常見聚合物和納米顆粒通過標準工藝制成，可集成于干旱地區的被動式集水裝置、電子設備冷卻系統或濕度響應型智能涂層。

“其潛力令人興奮，”帕特爾在聲明中總結道。他補充說，團隊仍在探索背后的機制，“我們從生物學中學習細胞和蛋白質如何在復雜環境中管理水分，并將這些知識應用于設計更好的材料。”

團隊下一步目標是優化親水與疏水成分的平衡、推動材料規模化應用，并尋找提高水滴從表面滾落效率的方法。

他們希望這一發現能為干旱地區清潔水供應技術鋪平道路，并助力開發僅靠空氣中水蒸氣驅動的可持續冷卻系統。

該研究已發表于《科學進展》期刊。

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