以树为基础的纯净水制备器件

注：文末有研究团队简介 及本文科研思路分析

树是自然界中最丰富的植物之一。经过千万年的自然选择，它们是最权威的水吸取输运专家，可以从数米甚至数十米的地底下把水抽取到树干和树叶。但是，它们吸收的水分只是满足自己需要，多余的水分通过蒸腾作用排放到大气中，总体上效率并不高。那么，能不能利用树木的独特的水输运本领，提高其蒸腾作用的效率，并把水收集起来满足淡水匮乏的地区的日常饮用呢？近日，美国马里兰大学胡良兵教授（点击查看介绍）和Siddhartha Das教授（点击查看介绍）（共同通讯作者）等受到树结构的启发，设计了独特的双层结构，利用天然木材制备了高性能的饮用水制备器件。

图1. 双层结构木材作为廉价、可扩展、高效的太阳能海水淡化材料的示意图. a）大树将水从地面传输到树顶以维持蒸腾作用的示意图；b）受大树启发设计双层木质结构插图；c）提取不同环境的淡水：地下水（沙子或土壤中）和海水。

目前光热取水是一种重要的饮用淡水分布式制取的手段。通过吸收太阳光的能量，把水变成水蒸气，然后把水蒸气冷凝收集成为可饮用的淡水。光热取水可以实现海水的高度淡化、把污水变成饮用水。然而，这些方法的前提是必须找到地面的肉眼可以看见的水源。实际上，大量的水隐藏在地表，如潮湿的土壤、沙漠等等。如果能把这些水抽取纯化，将很大程度上突破水源的限制，甚至实现随地取水。

这种树启发的光热取水材料实现了地下水的抽取和纯化。以木材为原料，基于独特的双层结构设计，一方面保持树的独特的水输运能力，另一方面通过表面的碳化增强光吸收和光热转换能力，提高光热的效率。上层结构负责光的捕获，下层结构是天然的水输运材料，其两层间的无缝连接保持了光捕获和水输运部分的管腔的贯通，实现了不破坏管腔微结构的连接。这种无缝连接的结构具有独特的优势：快速的水输运、较高光吸收（≈99%）。特别在海水淡化应用中，高效的离子扩散效率大大降低了盐分的析出。在实验中，通过高倍率聚光实现盐晶体的析出，在停止光照后数分钟内即溶解扩散到外部海水中。这种独特的能力源于木材的独特的微结构，具有很好的实际应用价值。

图2. 双层结构木材用于实际水提取的效果、可扩展性和海水脱盐效果. a）10个太阳照射下的水汽效果；b）由较小的双层木块组装成的22 cm×18 cm双层木，展示了其可扩展大小的能力；c）脱盐前后海水中四种代表性基本离子浓度比较。

这种受树启发基于天然木材的纯净水制取材料，利用太阳能光热蒸发，为从海水、沙滩和土壤提取水提供了一种实用的解决方案，能够向偏远或灾区提供必需的清洁水。全木设计为光热获取清洁水提供了廉价、高效、长寿命的材料。

这一成果发表在近期的Advanced Materials 上。

该论文作者为：Mingwei Zhu, Yiju Li, Guang Chen, Feng Jiang, Zhi Yang, Xiaoguang Luo, Yanbin Wang, Steven D. Lacey, Jiaqi Dai, Chengwei Wang, Chao Jia, Jiayu Wan, Yonggang Yao, Amy Gong, Bao Yang, Zongfu Yu, Siddhartha Das, Liangbing Hu

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Tree-Inspired Design for High-Efficiency Water Extraction

Adv. Mater., 2017, 29, 1704107, DOI: 10.1002/adma.201704107

胡良兵博士简介

Liangbing Hu（胡良兵）：美国马里兰大学科利奇帕克分校材料科学与工程系副教授，博士生导师，先进材料与纺织中心主任（CAPT）。2017年获得纳米科技杰出青年研究者奖和海军杰出青年研究奖，2016年获得ACS能源和石油分会杰出研究奖和杰出青年工程师，2015年获得马里兰大学杰出学者浆和3M分享工程奖，2014年获得马里兰杰出青年工程师和马里兰物理科学发明奖等。已在Nature Materials, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Chemical Review, Nano Letters 等顶级英文期刊上发表学术论文200余篇，被引用超过15,000次。国际会议特邀报告70多次。他主要从事木材纤维基的纳米纤维和纳米微晶的研究；重点研究纳米纤维素在光学和电学方面的应用和高性能低成本新能源器件。

胡良兵

http://www.x-mol.com/university/faculty/35057

Siddhartha Das

http://www.x-mol.com/university/faculty/47862

科研思路分析

Q：这项研究的想法是怎么产生的？

A：在全球生活水平不断提高的今天，很多地方依然严重缺乏饮用水。我们希望能够提供一种分布式的解决方案，廉价高效地向家庭或个体提供清洁水。光热净水是一种切实的解决方案。在我们对树的微结构的了解越深入，越认识到自然界的神奇和伟大。因此，我们基于树的天然水输运结构，设计了高效光吸收的双层结构，实现高效、廉价、实用的水处理解决方案。

Q：这项研究遇到的挑战有哪些？

A：首先是技术的挑战，如何实现双层结构且不能破坏木材原始的管道微结构。其次是机理的解释。木材是一种非常精巧的结构，其中有微米的管道，也有纳米的管道。这些管道微结构与光吸收、光热转换、流体输运、液气相变等等，是非常复杂的关联关系。

Q：这项研究成果的应用前景？

A：对于这种全木设计的清洁水制取装置，其性能好、耐老化、寿命长、成本低，而且环境友好，具有非常好的应用前景。