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這種太陽能蒸餾器能產(chǎn)生創(chuàng)紀錄的淡水。圖片來源：UT AUSTIN

  被稱為“太陽能蒸餾器”的罐式設備能夠利用太陽光蒸發(fā)臟水或咸水，并將蒸汽凝結(jié)成安全的飲用水。但是大而昂貴的蒸餾器只能為一個小家庭提供足夠的水。如今，研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新材料，可以加速蒸發(fā)過程，使小型太陽能蒸餾器能夠提供一個家庭所需的全部飲用水。如果這項技術(shù)被證明足夠便宜，它將可以為數(shù)百萬貧困人口提供清潔的飲用水。

  聯(lián)合國兒童基金會的數(shù)據(jù)顯示，目前全球有7.83億人，即接近1/10的人口無法獲得這種服務。這些人每天花費共計兩億小時從遙遠的水源取水。盡管目前已有凈化污水和淡化海水的技術(shù)，但這些技術(shù)通常需要昂貴的基礎設施和大量能源，而這讓許多社區(qū)無法承受。

  近來，研究人員一直致力于將太陽能蒸餾器升級為一種廉價、低技術(shù)含量的替代品。傳統(tǒng)的蒸餾器不過是一個裝滿水的黑底容器，頂部是透明的玻璃或塑料蓋。黑色的底部吸收陽光，加熱水，使其蒸發(fā)，并留下污染物。然后水蒸氣凝結(jié)在透明的覆蓋物上，最終慢慢進入一個收集器。

  但是，由于太陽光必須在蒸發(fā)開始前加熱全部體積的水，導致水的輸出量很低。商業(yè)上可用的版本每平方米的覆蓋面積每小時產(chǎn)生約0.3升水（ L/h/m²）。一個人每天需要大約3升的飲用水。為一個小家庭提供足夠的飲用水大約需要5平方米左右的面積。理論上，在這種裝置的最佳運行狀態(tài)下，只能產(chǎn)生1.6  L/h/m²。

  美國德克薩斯大學奧斯汀分校材料科學家余桂華教授和他的同事最近報告了一種繞過這一極限的新方法。它包括水凝膠，以及形成一個三維多孔吸水網(wǎng)絡的聚合物混合物。

  余教授和同事用兩種聚合物—— 一種叫做聚乙烯醇（PVA）的水結(jié)合聚合物，另一種叫做聚吡咯（PPy）的光吸收劑——制成了一種凝膠狀海綿，然后把它們放在一個太陽能蒸餾器的水面上。

  在凝膠內(nèi)部，一層水分子與PVA緊密結(jié)合，每一層水分子都形成多個化學鍵，稱為氫鍵。但由于它們的大部分鍵合能力都與PVA有關，結(jié)合水分子只能松散地與附近的其他水分子結(jié)合，最終形成了余教授所說的“中間水”。

  由于中間水分子與相鄰水分子之間的化學鍵更少，所以它們比普通水更容易蒸發(fā)。在這種情況下，它們會立即被蒸餾器中的其他水分子所取代。

  使用這種技術(shù)，余教授的太陽能蒸餾器能夠產(chǎn)生3.2  L/h/m²的水，這是理論極限值的兩倍。余教授團隊去年曾在《自然—納米技術(shù)》雜志上報告了這一研究成果。

  如今，余教授和他的同事已經(jīng)研制了一種更好的水凝膠。這種水凝膠與第三種聚合物殼聚糖混合，后者能夠強烈吸收水。在混合物中加入殼聚糖可以形成一種凝膠，能夠容納更多的水，從而增加了中間水的數(shù)量。

  研究人員6月28日在《科學進展》雜志上報告稱，使用這種新型水凝膠蒸餾水的太陽能蒸餾器能夠以3.6 L/h/m²的速度工作，這是迄今報道的最高速度，大約是目前市面上同類產(chǎn)品的12倍。

  “這是一個極好的起點。”沙特阿拉伯圖瓦爾阿卜杜拉國王科技大學環(huán)境工程師Peng Wang說。Wang指出，在這樣高的產(chǎn)水率下，1平方米的太陽能蒸餾器可以每天生產(chǎn)大約30升清潔飲用水，足夠一個小家庭使用。

  他說，更好的是，水凝膠中的所有3種聚合物都是商用的，而且價格便宜。這意味著，如果使用這些聚合物的蒸餾器足夠堅固，它們可以為那些最需要的人提供干凈的飲用水。

  論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/5/6/eaaw5484