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  從大氣中捕獲水蒸氣在大自然和工業(yè)應用中都很常見。在自然界中，捕獲水分的能力決定了生物組織和細胞的水分是否充足。在工業(yè)上，基于水蒸氣吸附的技術在除濕、儲能、被動制冷和淡水生產(chǎn)等方面都有廣闊應用前景。

  然而吸附材料普遍受到熱力學限制，存在一個問題：水蒸氣傾向于在低溫時吸附在材料上；而在較高的溫度下，絕大多數(shù)材料都會喪失捕獲水分的能力。因此，無論是對于常見的硅膠干燥劑，還是更為先進的納米固態(tài)吸附材料以及高分子水凝膠材料來說，如何在高溫環(huán)境下捕獲水蒸氣都是理論研究和實際應用中的一個難點。

  針對上述挑戰(zhàn)，麻省理工學院劉心悅，Lenan Zhang，Evelyn Wang與密歇根州立大學林少挺等人首次發(fā)現(xiàn)聚乙二醇（PEG）水凝膠材料能夠從較高溫度的空氣中捕獲水蒸氣。研究人員指出，在50%的相對濕度下，當溫度從25°C升高到50°C時，PEG水凝膠所捕獲的水蒸氣質量能夠增加一倍。這項工作發(fā)現(xiàn)了一種具有反常溫度依賴性的吸水材料，揭示了一種新的吸水機理。這種獨特材料特性和吸水機理有望進一步拓展水蒸氣吸附技術的應用空間，實現(xiàn)對熱量-水資源利用和轉化的高效調(diào)控。

技術方案和成果

  1.分析了PEG水凝膠的吸水性能和溫度影響。研究團隊測試并比較了兩種水凝膠：無定形的聚丙烯酰胺水凝膠（amorphous PAAm hydrogel）以及半結晶的聚乙二醇水凝膠（semi-crystalline PEG hydrogel）在不同溫度下的水蒸氣吸附量，從而發(fā)現(xiàn)了PEG水凝膠在吸水時所表現(xiàn)出的獨特的反常溫度依賴性。

  2. 表征了PEG水凝膠的結晶態(tài)-無定形態(tài)的相變。研究團隊運用多種微納測試方法，表征了在熔點附近PEG水凝膠結構形態(tài)、熱學、力學和光學特征的巨大轉變，進而分析出PEG水凝膠在不同溫度和濕度條件下的相變過程。綜合上述分析與測試結果，研究團隊指出PEG水凝膠獨特的吸水性能源于其內(nèi)部構成水凝膠的高分子鏈在高溫下所產(chǎn)生的相變。

  3. 建立了水凝膠吸水的熱力學模型。研究團隊基于水凝膠吸水過程中高分子網(wǎng)絡的變化以及高分子鏈和水分子的相互作用，建立了水凝膠空氣取水的熱力學模型。通過該理論模型，計算出在不同濕度和溫度下，PEG和PAAm兩種不同水凝膠中水蒸氣吸附量。這項理論分析得到了大量實驗數(shù)據(jù)的支撐�；诖死碚撃Ｐ�，研究團隊定量分析了水蒸氣吸附焓、高分子熔點和結晶度等參數(shù)對水凝膠空氣取水的影響。

反常的吸水趨勢

圖1：吸水材料的溫度依賴性

升溫導致的水凝膠相變

圖2：PEG水凝膠中高分子鏈的結晶態(tài)-無定形態(tài)轉變

水凝膠空氣取水的理論模型

圖3：無定形態(tài)(PAAm)和半結晶態(tài)(PEG)水凝膠的理論實驗數(shù)據(jù)

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202211763

博后/博士招聘

美國密歇根州立大學化工材料系劉心悅課題組招聘博后/博士1人。

招聘方向

包括但不限于

·生物材料和器件（有動物實驗經(jīng)驗優(yōu)先）

·高分子材料的合成或加工（有化學合成或3D打印經(jīng)驗優(yōu)先）

·熱能工程

·軟物質力學

歡迎感興趣的同學發(fā)送簡歷和郵件至liuxin58@msu.edu。

學校簡介

密歇根州立大學（Michigan State University, MSU），坐落于密歇根州東蘭辛市，是一所世界一流的公立研究型大學。密歇根州立大學是美國大學協(xié)會成員（AAU），十大聯(lián)盟成員（Big Ten），被譽為“公立常春藤”。密歇根州立大學擁有超過30位美國科學院、工程院、教育學院院士，2名諾貝爾獎得主。密歇根州立2022 Best Global Universities世界排名第108名（美國排名第46名），2022 Times Higher Education World University Rankings世界排名第93名（美國排名第35名），2022 QS World University Rankings世界排名第157名（美國排名第37名）。US News 密歇根州立材料工程專業(yè)排名第47名。

導師簡介

劉心悅將于2023年8月加入MSU化工材料系擔任助理教授。2021年獲MIT機械工程博士學位，2022年至2023年于MIT Device Research Lab從事博士后研究。她在水凝膠、活性材料等方向上的有一系列代表性和高影響力的工作，先后在Nature Chemical Biology、Nature Communications、PNAS、Advanced Materials、Materials Today等期刊發(fā)表學術論文，論文總引用次數(shù)超過3700。獲得過Forbes U30, Mechanical Engineering Rising Stars, MRS Graduate Student Awards 等獎項。

課題組介紹

課題組未來將著眼于

·軟材料在能源方面的應用。包括熱能儲存和轉換，空氣取水，清潔能源（太陽能，生物質能）等

·軟材料在健康方面的應用。包括生物傳感器，藥物釋放等。