材料科学与工程学院仿生智能材料团队在水凝胶蒸发器领域获重要进展

新闻网讯 近日，材料科学与工程学院仿生智能材料团队在界面太阳能蒸发器研究方面取得重要突破。相关成果以“Ultralow-Density Rigid Network Hydrogels Enable Ultrafast and Stable Solar Water Desalination”为题发表在国际顶级期刊 Nature Communications（2026, DOI: 10.1038/s41467-026-72288-w）上。论文共同第一作者为青岛大学硕士研究生刘成飞和德克萨斯大学奥斯汀分校雷楚昕博士；共同通讯作者为青岛大学隋坤艳教授、范汶鑫教授与德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授。青岛大学为第一通讯单位。

界面太阳能蒸汽发生（SVG）技术是海水淡化和水净化领域的热门方向，其中水凝胶基蒸发器因其高蒸发效率而备受关注。然而，这类器件在强光照射下常因水传输速率低导致性能急剧下降，限制了其实际应用。水凝胶内部水传输速率（q_os）与材料中的水含量（c_w）及渗透压梯度（∇π_os）成正比，其关系可表示为q_os∝∇π_os·c_w。其中，∇π_os与（水分蒸发所诱导的）聚合物网络密度梯度呈正相关。然而，高∇π_os通常源于光照侧c_w的急剧下降。因此，显著提升水传输速率的核心挑战在于：如何协调∇π_os与c_w之间固有的权衡关系。

针对这一瓶颈，研究团队基于半刚性海洋多糖聚电解质（壳聚糖与海藻酸钠），开发出一种超低密度刚性网络（ultralowdensity rigid network, ULR）水凝胶。该材料既能产生足够的渗透压梯度，又能维持较高的水含量，巧妙打破了二者之间的矛盾，实现了快速渗透供水。同时，其刚性的抗收缩骨架在强光照下依然保持分级多孔结构，一方面通过毛细作用进一步增强水输送，另一方面为盐离子的迁移提供畅通通道。实验结果表明，ULR水凝胶太阳能蒸发器超越了传统水凝胶的理论极限。在10倍太阳光强下，其蒸发速率高达25.57 kg·m⁻²·h⁻¹，并可连续稳定运行100小时。实际野外测试中，一套低成本ULR水凝胶模块的日产水率达到138 L·m⁻²，相当于每平方米每天产出12.42升可饮用淡水，可满足数人的日常饮水需求。该工作将水凝胶基SVG技术推向了一种稳健、经济且面向现实水资源短缺问题的实用化解决方案。

该团队长期致力于海洋聚电解质基仿生功能水凝胶材料的构建及其在柔性传感、生物医药、软体机器人等领域的应用研究，迄今已在Science Advances、Nature Communications、Angewandte Chemie International Edition、ACS Nano、Advanced Functional Materials等知名学术期刊上发表多篇高水平研究论文。