超声波技术助力快速吸湿，革命性空气水分收集方案

口渴了吗？为什么不从空气中获取呢？即使在沙漠条件下，空气中仍然有一定的湿度，借助合适的材料，可以将其吸收并挤出以产生干净的饮用水。近年来，科学家们开发了一系列前景广阔的海绵状材料用于这种“大气水收集”。

但是，从这些材料中回收水通常需要热量和时间。现有的设计依靠太阳的热量蒸发材料中的水，然后将其凝结成水滴。但这个步骤可能需要几个小时甚至几天。

现在，麻省理工学院的工程师们想出了一个快速回收大气水收集材料中的水的方法。团队使用超声波将水分摇出来，而不是等待太阳蒸发水分。

研究人员开发了一种高频振动的超声波设备。当一种称为“吸附剂”的水收集材料放置在设备上时，设备发出调谐的超声波，以摇动水分子从吸附剂中释放出来。团队发现，该设备能在几分钟内回收水，而热设计则需要几十分钟甚至数小时。

与基于热量的设计不同，该设备确实需要一个电源。团队设想该设备可以由一个小型太阳能电池供电，该电池还可以充当传感器，以检测吸附剂何时已满。它还可以被编程为在材料收集到足够的水分以便提取时自动开启。通过这种方式，系统可以在一天内多次循环吸收和排出空气中的水分。

麻省理工学院机械工程系的首席研究科学家斯维特兰娜·博里斯基娜表示：“人们一直在寻找从大气中收集水的方法，这可能是一个重要的水源，尤其是对沙漠地区和那些连盐水都没有的地方。” “现在我们有了快速有效的水回收方法。”

博里斯基娜和她的同事在期刊Nature Communications上报告了他们的新设备。该研究的第一作者是麻省理工学院媒体艺术与科学专业的研究生伊克拉·伊夫特卡尔·舒沃，以及卡洛斯·迪亚斯-马林、马尔文·克里斯滕、迈克尔·勒尔贝特和克里斯托弗·利姆。

宝贵的时间

博里斯基娜的团队在麻省理工学院开发了一些与环境以新颖方式互动的材料。最近，她的团队探索了大气水收集（AWH）以及如何设计材料以高效吸收空气中的水分。希望如果它们能可靠工作，AWH系统将对那些传统饮用水源——甚至盐水——稀缺的社区最有帮助。

像其他团队一样，Boriskina 的实验室在夜间会吸收水分，现场的 AWH 系统通常认为，然后利用白天的阳光自然蒸发水分并将其冷凝以便收集。

“任何能够很好捕捉水分的材料都不想放弃这些水分，”Boriskina 说。“所以，你需要花费大量的精力和时间来从材料中提取水分。”

当 Ikra Shuvo 加入她的团队后，她意识到可能有更快的水分回收方法。Shuvo 一直在研究用于可穿戴医疗设备的超声波。当他和 Boriskina 考虑新项目的想法时，他们意识到超声波可以加速大气水收集中的回收步骤。

“这一下子就明白了：我们面临一个大问题，而现在 Ikra 似乎有一个可以解决这个问题的工具，”Boriskina 回忆道。

水舞

超声波或超声波波是以超过20千赫（20,000次每秒）的频率传播的声压波。这种高频波对人类来说是不可见和不可听的。正如团队所发现的，超声波以恰到好处的频率振动，能够将水从材料中震出。

Shuvo说：“通过超声波，我们可以精确地打破水分子与它们所处位置之间的弱键。就像水在波浪中舞动，这种有针对性的扰动产生了动量，释放了水分子，我们可以看到它们以水滴的形式震出。”

Shuvo和Boriskina设计了一种新的超声波激励器，以从大气水收集材料中回收水分。该设备的核心是一个平坦的陶瓷环，当施加电压时会振动。这个环被一个外环包围，外环上布满了微小的喷嘴。从材料中震出的水滴可以通过喷嘴掉入连接在振动环上下方的收集容器中。

他们在之前设计的大气水收集材料上测试了该设备。使用四分之一大小的样本材料，团队首先将每个样本放置在湿度箱中，设置为不同的湿度水平。随着时间的推移，样本吸收了水分，最终变得饱和。研究人员随后将每个样本放在超声波激励器上，并开启电源以在超声频率下振动。在所有实验中，这个设备都能在短短几分钟内震出足够的水分，让每个样本干燥。

研究人员计算出，与利用太阳热量相比，超声波设计的效率是传统方法的45倍，在从相同材料中提取水方面表现更为出色。

“这个设备的美妙之处在于它是完全互补的，可以作为几乎任何吸附材料的附加组件，”博里斯基娜说，她设想了一种实用的家庭系统，可能包括一种快速吸收的材料和一个超声波驱动器，二者的大小大约和窗户差不多。一旦材料饱和，驱动器将短暂开启，由太阳能电池供电，以震动将水分排出。然后，材料就可以在一天中多次收集更多水。

“关键是你每天能提取多少水，”她说。“通过超声波，我们可以快速回收水，并且可以不断循环。这样一天下来，提取的水量会非常可观。”