麻省理工超声波取水新突破！效率超太阳能45倍，几分钟速提空气水

即使在极度干旱的地区，空气中也含有少量湿度，而某些材料能吸收这些水分并将其释放为可用的饮用水。过去几年里，研究人员开发出一系列海绵状材料，使这种“大气取水”成为可能。

提取收集到的水分通常需要热量——以及漫长的等待。目前大多数系统依赖阳光加热这些材料，直到截留的水分蒸发并凝结成液体。这一缓慢步骤可能需要数小时甚至数天。

MIT工程师现已发现一种更快的水分回收方法：他们不依赖太阳能加热，而是使用超声波振动抖落水分。

研究人员制造了一种高频超声波装置，能快速振动。当吸水材料（或称“吸附剂”）放置在装置顶部时，它会发出经过调谐的超声波，打破固定水分子的化学键。测试显示，这种方法能在几分钟内释放水分，而热驱动系统通常需要数十分钟甚至数小时。

由于不使用热量，该装置需要电源。研究团队建议，小型太阳能电池可提供电力，同时还能作为传感器检测材料何时饱和。系统甚至可设置为每当积累足够水分时自动启动，从而实现全天反复收集和释放水分的循环。

“人们一直在寻找从大气中取水的方法，这对沙漠地区和连海水都无法淡化的地方来说，可能是重要的水源。”MIT机械工程系首席研究员斯维特拉娜·博里斯金娜（Svetlana Boriskina）表示，“现在我们找到了一种快速高效回收水分的方法。”

博里斯金娜及其合作者在11月18日发表于《自然·通讯》的研究中描述了该装置。论文第一作者是MIT媒体艺术与科学专业研究生伊克拉·伊夫特哈尔·舒沃（Ikra Iftekhar Shuvo），合作者还包括卡洛斯·迪亚斯-马林（Carlos Díaz-Marín）、马文·克里斯滕（Marvin Christen）、迈克尔·勒贝特（Michael Lherbette）和克里斯托弗·利姆（Christopher Liem）。

博里斯金娜的研究团队开发了能以创新方式与环境条件相互作用的材料。最近，他们探索了大气取水（AWH）技术，以及如何设计材料以高效从空气中吸收水分。长期目标是为既缺乏淡水又无海水可淡化的社区提供可靠的饮用水源。

与许多其他团队一样，他们最初假设户外AWH系统会在夜间吸收水分，然后在白天依靠阳光通过蒸发和凝结释放水分。“任何擅长吸水的材料都不愿释放水分，”博里斯金娜解释道，“因此需要投入大量能量和宝贵时间才能将水分从材料中提取出来。”

更快方法的想法源于舒沃加入团队后。舒沃曾从事可穿戴医疗设备的超声波研究，在与博里斯金娜讨论时，他们意识到超声波振动可能显著加快大气取水的水分释放步骤。“灵感闪现：我们正试图解决这个大问题，而舒沃似乎有工具能解决它，”博里斯金娜回忆道。

超声波指频率超过20千赫兹（每秒20000次循环）的声压波，这些高频波对人类而言不可见且听不见。团队发现，在合适频率下，超声波能将水分子从吸附材料中抖落。

“通过超声波，我们能精准打破水分子与吸附位点之间的弱键，”舒沃说，“就像水在随着波舞动，这种定向扰动产生的动量会释放水分子，我们能看到它们以液滴形式抖落出来。”

舒沃和博里斯金娜专门为大气取水制造了超声波致动器。其核心是一个扁平陶瓷环，通电时会振动；周围环绕着另一个带微小喷嘴的环。当液滴抖落时，它们通过喷嘴落入振动环上下放置的收集容器中。

团队使用先前开发的AWH材料测试了该装置：将四分之一大小的吸附剂样本放在不同湿度的环境舱中，直到完全饱和，然后置于致动器上以超声波频率振动。所有测试中，致动器都能在几分钟内释放足够水分，使材料干燥。

研究人员估计，从相同材料中提取水分时，超声波方法的效率是太阳能加热法的45倍。“该装置的美妙之处在于它完全互补，几乎可作为任何吸附材料的附加装置，”博里斯金娜说。她设想一种家用系统：快速吸附材料搭配超声波致动器，尺寸约为窗户大小。当材料饱和时，致动器利用太阳能电池供电短暂启动，抖落水分后重置进入下一个循环。

“关键在于每天能提取多少水，”她说，“通过超声波，我们能快速回收水分并反复循环，这每天累积起来会是很大的量。”