原创 长光所Light中心 中国光学
撰稿 | 杨向飞 博士（北京大学）
01
导读
水是地球上所有生命体赖以生存的重要资源，也被称为“生命之源”。一个人不吃饭，依靠自己体内贮存的营养物质可以活上一个月。但是如果不喝水，连一周时间也很难度过。人体内失水10%就会威胁健康，失水20%就有生命危险，足可见水对生命的重要意义。随着水污染的日益严重，保证全球人民的饮用水供应是世界上最大的挑战之一。
图源：Shutterstock
尤其是在新型冠状病毒流行期间，发达国家的人们可以保证充足的清洁水供应，可以根据需要经常洗手，以保护自己免受疾病的侵袭。然而，世界近三分之一的人口甚至无法保证喝到干净的水。
最近，美国罗切斯特大学的研究人员报道了一种激光处理得到的超强吸水&吸光的铝材料，这种材料可以高效收集太阳光，利用收集的太阳能对污水进行蒸发和净化，为全世界水资源匮乏问题带来了解决的希望。相关研究成果发表在了Nature Sustainability。
图1 激光处理过的铝板具有超强的吸水和吸光能力，可以高效利用太阳能净化水资源。
图源：罗切斯特大学
这项工作由美国罗切斯特大学郭春雷教授团队在比尔和梅林达·盖茨基金会、美国国家科学基金会和美国陆军研究办公室的资助下完成。相关研究人员表示，这项研究不仅可以为发展中国家带来充足的饮用水，还可以用于临海国家和地区的海水淡化工程。他们在视频1中解释了如何将铝表面的激光处理与太阳能利用结合起来，以超过100%的效率蒸发和净化污水。
视频：激光处理的铝表面可以实现超高效的污水净化。
视频源：罗切斯特大学
02
创新研究
2.1 高效的蒸发过程
本工作中，研究人员利用飞秒激光对铝板表面进行处理，将普通的薄铝板转变为超强吸水&吸光表面。这种特殊表面的微观毛细作用可以减小水的蒸发焓，多孔的表面结构改变了水的分子间键，水在倾斜的表面上可以实现反重力爬升，稳定爬升速度可达2.1 mm/s。与此同时，黑色的铝板表面可以将它吸收的太阳能几乎100%用于快速加热水，进一步提高了蒸发过程的效率。
图2 激光处理使铝板变为黑色，便于高效吸收太阳能；水可以在其表面反重力爬升。
图源：罗切斯特大学
2.2 超凡的毛细结构
相比于传统的太阳能蒸发净水系统（图3-右）而言，本工作的一大亮点在于：利用毛细管结构的吸水作用减少了太阳板装置与水的接触面积，减少热能的耗散，且可以通过调节铝板角度使其一直正面太阳，充分利用太阳能，提高净水效率。
图3 斜置的超强吸水&吸光表面（左）与平放的传统太阳能吸收表面（右）相比，减小了与水的接触面积，从而减小了热能的耗散，有利于提高太阳能利用率。
图源：Nat Sustain (2020).
https://doi.org/10.1038/s41893-020-0566-x（Fig.1d）
与封闭的多孔毛细管界面吸收器不同，超强吸水&吸光表面具有开放的毛细管，不容易发生堵塞或者盐分沉淀，而且清洗方便，可以循环重复使用。
图4 具有封闭毛细管的吸光多孔材料容易发生堵塞（左）；开放的毛细管结构不易堵塞，且容易清洗，便于循环使用（右）。
图源：Nat Sustain (2020)
https://doi.org/10.1038/s41893-020-0566-x（Fig.1e）
2.3 良好的净水效果
利用阳光煮沸一直被认为是一种消除微生物病原体和减少腹泻感染死亡的方法，但煮沸的水不能消除重金属和其他污染物。相比之下，太阳能蒸发净水则可以大大减少这些污染物，因为水先被蒸发变成气态再进行冷凝和收集，这一过程中几乎所有杂质都可以被分离出来。
图5展示了超强吸水&吸光表面利用太阳能蒸发净水的实物图，当铝板以一个面向太阳的角度浸入水中时，可以将水吸收到其整个表面，并利用太阳光能进行蒸发净化。实验表明，该方法可以减少污水中所有常见污染物，如洗涤剂、染料、尿液、重金属和甘油等，使其达到安全饮用水平。
图5 使用超强吸水&吸光表面进行水的净化/海水淡化。
图源：罗切斯特大学
03
总结
本文中阐述的超强吸水&吸光表面具有简单高效、持久耐用、便于清洗等优势，和太阳能集热技术珠联璧合，有望为全球水资源危机带来曙光。
此外，使用价格低廉、资源丰富的铝板作为主要材料，可以进一步降低净水装置的生产和使用成本。在科研人员的不懈努力下，试看将来的全球，必是人人开怀畅饮健康水的世界。
文章信息
相关成果以Solar-trackable super-wicking black metal panel for photothermal water sanitation为题，发表在 Nature Sustainability 。
论文地址
https://doi.org/10.1038/s41893-020-0566-x
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