利用水凝胶从空气中取水的新进展

近年来，科研人员一直尝试用由盐和高吸水性聚合物组成的材料，从环境空气中高效吸收水汽并冷凝成可饮用的水。这类材料被称为水凝胶。然而，此前的水凝胶在反复使用中降解过快，难以实现长期稳定运行，也就难以真正做到经济可行。

最新研究表明，通过改进结构设计，科学家已经找到一种利用太阳能和耐久水凝胶从空气中收集水分的方法。新型水凝胶固定在涂有防腐蚀涂层的金属基底上，可在多种环境下以较低成本制备饮用水。

斯坦福大学多尔可持续发展学院能源科学与工程系助理教授、论文共同第一作者 Carlos Diaz-Marin 表示：“许多人缺乏可靠水源，每年要花上数百小时步行取水。同时，半导体制造、数据中心等高耗水行业也在加重水资源系统的压力。我们认为，这项技术有望成为增加可用水资源的一种新途径。”

共同第一作者 Chad Wilson（在麻省理工学院攻读研究生期间参与该水凝胶研究）也指出：“这些新型水凝胶令人振奋，因为它们让我们有机会在极端条件下生产饮用水。”

在极端干旱环境中的实地测试

在此前于 2025 年发表的一项工作中，研究团队将一个约饼干烤盘大小、带金属框架的水凝胶装置带到世界上最干旱地区之一——智利阿塔卡马沙漠进行测试。该水凝胶由超强吸水盐氯化锂和常用于尿布的聚丙烯酰胺聚合物制成。

即便在阿塔卡马沙漠极度干燥的环境中，水凝胶在夜间仍能吸满水汽。白天，研究人员利用一块涂成黑色的铝板吸收太阳热量，加热水凝胶。随着温度升高，水凝胶释放出水蒸气，随后这些水蒸气被冷凝成液态水并收集，供人饮用。该凝胶的吸水能力极强，可吸收相当于自身重量 2 至 4 倍的水分。

不过，团队很快发现一个关键问题：这种水凝胶在经历大约 30 次吸水与释水循环后就开始明显降解。这不仅削弱了其作为廉价水源的可行性，也带来安全隐患。Diaz-Marin 解释说：“一旦发生降解，盐或聚合物就可能进入冷凝器，基本上会破坏水的饮用安全性。”

目前，美国仍有超过 50 万个家庭无法使用自来水，而在全球范围内，每四个人中就有一人无法获得安全饮用水。如何让这种技术长期稳定运行，成为研究的关键。

找到降解根源：金属界面与自由基

在随后的四年实验室研究中，团队系统分析了水凝胶降解的原因。他们发现，问题主要出在水凝胶与金属表面的接触上，例如此前在阿塔卡马沙漠实验中使用的涂漆铝箔。

金属外壳对于利用太阳能驱动水收集过程至关重要，但金属会释放离子，在水凝胶内部形成自由基。这些自由基会攻击聚合物的长链结构，使水凝胶逐渐变成黏稠的胶状物，聚合物碎片也随之进入水中。

“自由基对聚合物的破坏非常高效，”Diaz-Marin 指出，“据我们所知，此前几乎没有人系统考虑过这些材料的耐久性和降解问题，但这其实是水生产技术中极为关键的参数。”

为此，研究人员尝试通过阻断金属离子来延长水凝胶寿命。当他们在金属表面施加防腐蚀涂层后，水凝胶的稳定性显著提升。在一项测试中，水凝胶在约 167 华氏度（约 75 摄氏度）的高温下保持稳定超过八个月，该温度用于模拟极端条件下的材料耐受性。团队还发现，附着在涂层金属上的水凝胶在超过 190 个吸水—释水循环中仍能保持性能稳定。

更耐用的水凝胶，迈向低成本“天空之水”

这种耐久性的提升，使水凝胶从实验概念逐步接近具有成本竞争力的实际水源技术。Diaz-Marin 表示：“这些改进有望让我们把制水成本降到每升约 1 美分。”这大约是瓶装水价格的 1%，约为美国家庭自来水价格的 10 倍左右。“我们看到，这项技术未来甚至有机会与自来水直接竞争。”

在合适的成本水平下，基于水凝胶的取水系统有望为内陆干旱地区的农村社区提供饮用水，这些地区往往不具备海水淡化等技术的应用条件。由于系统由太阳能驱动，不依赖电网，相比需要抽水或长距离运输的供水方式，其环境足迹也更小。

目前，这项技术距离为整片社区提供稳定供水仍有距离，但研究团队态度乐观。Diaz-Marin 和他的学生正在继续优化系统效率并进一步压缩成本。现有设计中，一块约浴巾大小、覆盖一层薄水凝胶的面板，每天可产水最多约 2 升（约半加仑），大致相当于紧急情况下维持每人基本健康所需的最低日用水量。

Diaz-Marin 表示，他的目标是将单人日供水量提高到 5 升。“尤其是在斯坦福这样的环境中，”他说，“我可以预见，我们会通过创业公司或技术授权，将这项技术推广到世界各地。”

如果这些目标得以实现，在不远的将来，人们或许真的可以日常饮用来自“天空”的水。