Nature 亮點 → Device麻省理工學院: 首次將系統級物理模型與水凝膠材料特性深度結合 ... - MIT研究團隊

近日，麻省理工學院（MIT）機械工程系Chad T. Wilson、Bachir El Fil、Carlos D. Diaz-Marin等人成功開發出一種基于吸濕性水凝膠的太陽能驅動裝置，可在全球最干旱的阿塔卡馬沙漠中從空氣中高效收集淡水。該技術通過物理模型優化設計，結合低成本材料，為極端干旱地區的水資源短缺問題提供了創新解決方案。

2025年5月9日，相關論文以”Solar-driven atmospheric water harvesting in the Atacama Desert through physics-based optimization of a hygroscopic hydrogel device“為題發表在Device期刊上。第一作者為麻省理工學院機械工程系Chad T. Wilson博士,Carlos D. Diaz-Marin博士為共同第一作者，麻省理工學院機械工程系博士后Bachir El Fil（現任教于佐治亞理工學院機械工程系助理教授）、Chad T. Wilson博士為共同通訊作者。該研究論文被Nature以“Atacama sunshine helps to pull water from thin air”為題，作為研究亮點報道。

技術核心：水凝膠復合材料與系統級優化

采用聚丙烯酰胺-氯化鋰（PAM-LiCl）水凝膠復合材料作為吸濕核心材料。該材料在夜間吸收空氣中的水分，白天通過太陽能加熱釋放水蒸氣，經冷凝后轉化為液態水。通過建立熱質傳輸模型，團隊優化了裝置的關鍵參數（如水凝膠厚度、蒸汽間隙等），使系統熱效率提升至16%，最大日產水量達1.7升/平方米（L/m2/天）。

圖1. 基于水凝膠的 SAWH 系統

圖2. 水凝膠 SAWH 裝置的熱流體優化

極端環境測試：從城市到沙漠

研究團隊在兩種環境中驗證了裝置性能：

• 城市環境：在美國麻省理工學院（MIT）屋頂測試中，裝置在平均濕度50%、日均太陽輻照639 W/m2的條件下，實現了1.7 L/m2/天的產水量。

• 沙漠環境：在阿塔卡馬沙漠（年均降雨量<1 mm）的極端測試中，裝置在夜間濕度38%、日間溫度劇烈波動（5°C至28°C）的條件下，仍產出0.62 L/m2/天的水量，熱效率為9.3%。

圖3. SAWH 裝置在城市環境中的實驗結果

圖4. 阿塔卡馬沙漠的戶外測試結果

低成本與可擴展性

裝置采用商業化材料（如硼硅玻璃、黑色噴涂鋁板）和模塊化設計，成本控制在50-150美元/平方米，具備大規模推廣潛力。研究團隊估算，若設備壽命達20年，其單位水成本可媲美城市自來水價格。

圖5. 水質、系統的技術經濟評估以及與當前已發布的無源 SAWH 設備設備的性能比較

水質與挑戰

水質檢測顯示，裝置產水中的銀、鎂、鐵等元素含量均低于美國環保署（EPA）飲用水標準，但鋰和鋁略有超標，推測與冷凝器表面污染有關。未來需改進材料處理工藝以確保安全性。

科學意義與未來應用

此項工作首次將系統級物理模型與水凝膠材料特性深度結合，突破了傳統空氣取水設備在低濕度環境中的性能瓶頸。該技術不僅適用于個人或社區級淡水供應，還可擴展至農業灌溉和應急救災領域。

https://www.cell.com/device/fulltext/S2666-9986(25)00111-5

來源：高分子科技