2024 年 4 月 23 日，沙特阿拉伯（下称“沙特”）阿卜杜拉国王科技大学甘巧强教授和团队，在沙特图瓦海滨小镇开展了一场户外实验。
实验中，他们监测了冷凝面积为 30×30 cm² 的大气水收集原型设备。当实验进行到 30 分钟时，其观察到润滑表面由于重力作用，迅速形成并脱落了毫米大小的水滴。
“这个令人兴奋的时刻标志着我们的系统在自然大气条件下的被动水收集效果得到了验证，也是本次研究所取得的重要突破，未来将有助于应对水资源短缺问题。”甘巧强表示。
具体来说，他和课题组开发出一种具有垂直辐射制冷表面的空气水收集系统。
其中，垂直辐射冷却膜通过银镜向冷空发射红外波，以降低其自身温度。
在银镜的另一侧，课题组通过使用润滑剂来实现更好的水滴生成和收集，最终能够实现高效的室内外露水冷凝和收集。
这一方案旨在解决传统向天冷凝器的低效问题，通过将局部冷却功率密度加倍，来简化水的冷凝过程和收集过程。
即便是垂直表面，在水珠太小的时候也不会滑落，因为这主要是由水滴和界面的表面张力决定的。
而如果希望空气中的水汽不断地在垂直表面冷凝，则需要将之前形成的水珠尽快去除，以便形成一个快速、连续不断的“水流”通道。
同时，课题组选择液体浸润的光滑表面来加速水滴的收集。
对于提高大气水收集的效率来说，垂直排列的收集表面至关重要，因此本次方法能够为大气水收集系统提供一种有效方法。
同时，通过本次系统还能提供一个完全无需耗电的空气取水装置，尤其适合热带和亚热带等空气湿度较大的地区。
（来源：Advanced Materials）在应用前景上：
一方面，它可以提供额外的淡水来源，在遭遇自然灾害时期可以充当急救工具。
另一方面，它还能为居家园艺和农业设施提供新型水源，以用于补充植物灌溉所需的淡水，尤其适合在海岛、海岸等淡水资源缺乏但是空气水资源充分的地区发展新型农业。
目前，甘巧强课题组正在和农业科学家、以及工业界合作者（比如阿美石油和未来城市 NEOM）一起推动空气取水技术在沙漠地带的应用，以便验证该技术在不同环境条件下的可行性和推广的渠道。
此前论文曾被 Nature 予以亮点报道
淡水资源紧缺，是人类面临的全球性挑战，特别是沙特地区淡水资源尤其缺乏。
沙特也是全世界利用反向渗透膜技术产生淡水需求最大的国家，在这个过程中会耗费巨大的电力，同时产生相应的环境污染。
因此，寻求新的淡水资源是甘巧强课题组的研究重点之一。在自然环境中，不仅江河湖泊等传统水源中存在淡水，空气中也拥有无处不在的淡水。
并且，空气中的含水量大约是人类已知液态淡水的 6 倍。但是，气态水通常只在晨昏时分自然冷凝成人类常见的露水，因此很少能被实现稳定的大规模应用。
近年来，空气取水这一手段广受关注，研究人员开发了各种微纳结构、材料和系统，旨在从空气中尽可能多地提取出液态水来供应人类的日常消耗。
特别需要指出的是，取水的难易程度很大程度上取决于当地环境的湿度，也就是空气中的绝对含水量。
甘巧强团队所在的阿卜杜拉国王科技大学位于中东地区的红海之滨，夏季阳光明媚且湿度很高，因此天然具有充足的空气水资源。
近年来，他和团队一直致力于针对区域性需求开发永续型清洁能源和制冷技术，并在辐射制冷上取得了一些进展。
辐射制冷，通常是将水平放置的物体表面的热辐射释放到外太空（又称“天空制冷”），从而实现不耗电的降温效果，目前已经成为各国科学家竞相研究的热点。
这一技术在常年高温的中东地区十分具备应用前景。2021 年，甘巧强课题组和美国威斯康星大学喻宗夫教授合作，在 PNAS 发表论文并首次展示了利用天空制冷加速湿润空气中的水蒸气的冷凝 [1]。
同年，双方又在 Cell Reports Physical Science 发表论文，借此展示了一个将热辐射表面垂直放置的制冷系统，并展示了将制冷功率密度加倍的方案 [2]，同时该论文还得到了 Nature 的亮点报道 [3]。
将热辐射表面垂直放置的制冷系统具有两个突出优点：
首先，它可以在白天环境下率先达到冷凝条件，而无需等到晨昏时分。
其次，一旦收集到空气中的水滴，在重力作用之下，垂直表面比水平表面更加有利于水滴滑落，从而能够提高液态水的收集效率。
基于此，甘巧强团队结合前两个工作，开发了本次空气水收集系统。
（来源：Advanced Materials）
廉价简易的大气水收集系统
一直以来，辐射冷却都被认为是实现大气水收集的一个“潜力股”技术。
该技术能将材料的热辐射发射到天空，进而使材料表面冷却至露点以下，从而在无需外部能量输入的情况下就能实现水分冷凝。
这种不耗电的冷却方法，特别适用于炎热干燥的地区，并能为大气水收集提供新的方向。
如前所述，该团队曾研发出一种双面热辐射的垂直冷却系统，这一系统使用了独特的 V 形结构，并结合了光谱选择性反射镜和中央垂直发射器。
然而，由于发射器被密封在聚乙烯膜之中，因此无法实现大气水冷凝。
尽管冷却效果显著，但此前并未实现户外的空气水冷凝。后来，甘巧强课题组开发出一种垂直架构，并将冷凝器暴露于大气空气中以实现水气冷凝。
为了模拟自然辐射冷却，他们使用液氮作为冷源。初步实验表明，水蒸气可以在设备的冷凝侧凝结。
然而，他们又发现这样一个问题：即便是垂直表面，冷凝的水滴依然很容易粘附在表面上不往下滑，导致液滴的收集效率低下。
于是，在阿卜杜拉国王科技大学润滑表面专家张玮泓（Dan Daniel）教授的帮助之下，他们进一步引入由聚二甲基硅氧烷弹性体与硅油混合形成的润滑表面。
通过这种表面处理的方法，水滴能够轻松滑落，并能够利用重力进行水收集，从而可以显著提高系统的集水效率。
与此同时，技术的可扩展性和成本效益，也是该团队的主要考量因素。为此，他们选择聚二甲基硅氧烷、硅油和铝等经济且高效的商用材料。
“这一选择对于在资源有限的偏远地区实现系统的可行性至关重要。”甘巧强表示。
（来源：Advanced Materials）在实验室取得良好效果之后，他们又开展了文章开头的现场测试。即在室外环境中部署一个冷凝面积为 30×30cm² 的原型装置，以评估其在自然大气条件下的性能。
在测试环境温度 23℃-30℃ 之间、对湿度为 70%-85% 的户外条件下，其所设计的原型设备成功实现了水滴凝结和水滴收集，证明其在现实条件之下具有可行性。
通过此，他们开发出一种廉价简易的大气水收集系统，实现了一种高效可持续的水资源解决方案。
总的来说，这款系统能够提供分布式的可再生水源，对于解决基础设施缺乏的贫困地区的水资源问题尤为重要，有助于缓解气候变化和水资源枯竭带来的影响。
日前，相关论文以《用于辐射冷却和大气集水的垂直双面结构的润滑表面》（Lubricated Surface in a Vertical Double-Sided Architecture for Radiative Cooling and Atmospheric Water Harvesting）为题发在 Advanced Materials[4]。
沙基尔·艾哈迈德（Shakeel Ahmad）是第一作者，张玮泓（Dan Daniel）和甘巧强担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）后续，他们将推动该技术的实际应用。其中一个关键目标是扩大现有原型的规模，通过开发更大的系统，来将本次技术部署在水资源有限的干旱地区和偏远地区。
为此，他们需要进一步测试和优化系统性能，以确保其在不同环境条件下均能实现稳定高效的工作。
此外，课题组还计划优化材料、探索新的涂层和表面处理，以便提高水冷凝率和被动收集效率。
并打算将大气水收集系统与其他可持续技术比如太阳能蒸馏结合，通过开发多技术的混合方案，来为偏远地区提供淡水资源，最终助力实现全球水资源短缺问题的总体目标。
参考资料：
1. M. Zhou , H. Song , X. Xu , A. Shahsafi , Z. Xia , Z. Ma , M. Kats , J. Zhu , B. Ooi , Q. Gan†, Z. Yu†, Vapor condensation with daytime radiative cooling, Proceedings of National Academy of Sciences 118, e2019292118 (2021).
2.L. Zhou, H. Song, N. Zhang, M. Singer, H. Zhang, B. Ooi, Z. Yu, Q. Gan†, Hybrid concentrated radiative cooling and solar heating in a single system, Cell Reports Physical Science 2, 100338 (2021)
3.https://www.nature.com/articles/d41586-021-00428-x
4.Ahmad, S., Siddiqui, A. R., Yang, K., Zhou, M., Ali, H. M., Hardian, R., ... & Gan, Q. (2024). Lubricated Surface in a Vertical Double‐Sided Architecture for Radiative Cooling and Atmospheric Water Harvesting.Advanced Materials, 2404037.
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