Nature 亮点 → Device麻省理工学院: 首次将系统级物理模型与水凝胶材料特性深度结合 ... - MIT研究团队

近日，麻省理工学院（MIT）机械工程系Chad T. Wilson、Bachir El Fil、Carlos D. Diaz-Marin等人成功开发出一种基于吸湿性水凝胶的太阳能驱动装置，可在全球最干旱的阿塔卡马沙漠中从空气中高效收集淡水。该技术通过物理模型优化设计，结合低成本材料，为极端干旱地区的水资源短缺问题提供了创新解决方案。

2025年5月9日，相关论文以”Solar-driven atmospheric water harvesting in the Atacama Desert through physics-based optimization of a hygroscopic hydrogel device“为题发表在Device期刊上。第一作者为麻省理工学院机械工程系Chad T. Wilson博士,Carlos D. Diaz-Marin博士为共同第一作者，麻省理工学院机械工程系博士后Bachir El Fil（现任教于佐治亚理工学院机械工程系助理教授）、Chad T. Wilson博士为共同通讯作者。该研究论文被Nature以“Atacama sunshine helps to pull water from thin air”为题，作为研究亮点报道。

技术核心：水凝胶复合材料与系统级优化

采用聚丙烯酰胺-氯化锂（PAM-LiCl）水凝胶复合材料作为吸湿核心材料。该材料在夜间吸收空气中的水分，白天通过太阳能加热释放水蒸气，经冷凝后转化为液态水。通过建立热质传输模型，团队优化了装置的关键参数（如水凝胶厚度、蒸汽间隙等），使系统热效率提升至16%，最大日产水量达1.7升/平方米（L/m²/天）。

图1. 基于水凝胶的 SAWH 系统

图2. 水凝胶 SAWH 装置的热流体优化

极端环境测试：从城市到沙漠

研究团队在两种环境中验证了装置性能：

• 城市环境：在美国麻省理工学院（MIT）屋顶测试中，装置在平均湿度50%、日均太阳辐照639 W/m²的条件下，实现了1.7 L/m²/天的产水量。

• 沙漠环境：在阿塔卡马沙漠（年均降雨量<1 mm）的极端测试中，装置在夜间湿度38%、日间温度剧烈波动（5°C至28°C）的条件下，仍产出0.62 L/m²/天的水量，热效率为9.3%。

图3. SAWH 装置在城市环境中的实验结果

图4. 阿塔卡马沙漠的户外测试结果

低成本与可扩展性

装置采用商业化材料（如硼硅玻璃、黑色喷涂铝板）和模块化设计，成本控制在50-150美元/平方米，具备大规模推广潜力。研究团队估算，若设备寿命达20年，其单位水成本可媲美城市自来水价格。

图5. 水质、系统的技术经济评估以及与当前已发布的无源 SAWH 设备设备的性能比较

水质与挑战

水质检测显示，装置产水中的银、镁、铁等元素含量均低于美国环保署（EPA）饮用水标准，但锂和铝略有超标，推测与冷凝器表面污染有关。未来需改进材料处理工艺以确保安全性。

科学意义与未来应用

此项工作首次将系统级物理模型与水凝胶材料特性深度结合，突破了传统空气取水设备在低湿度环境中的性能瓶颈。该技术不仅适用于个人或社区级淡水供应，还可扩展至农业灌溉和应急救灾领域。

https://www.cell.com/device/fulltext/S2666-9986(25)00111-5

来源：高分子科技