受貽貝啟發的“吸濕殺菌”氣凝膠，登上Nature Water，實現生物安全級大氣集水

全球清潔飲用水短缺問題日益嚴峻，大氣集水技術通過提取空氣中的水蒸氣，為可持續淡水生產提供了新路徑。然而，傳統AWH材料面臨兩大核心挑戰：一是空氣中的病原體易在吸濕材料表面定殖并形成生物膜，堵塞水傳輸通道，威脅水質安全；二是傳統化學消毒方法可能誘發細菌耐藥性并造成環境二次污染。因此，開發兼具高效吸濕性能和內在抗菌功能的材料，成為確保AWH系統水質安全的關鍵。

鑒于此，來自新加坡國立大學陳瑞深副教授和重慶大學光電工程學院楊林副教授合作研發了一種受貽貝啟發的濕粘附光熱氣凝膠。該材料通過聚多巴胺功能化修飾，實現了快速吸濕-解吸、結構穩定性和光熱抗菌性能的集成。在95%相對濕度下，該氣凝膠的吸濕量可達6.0 g g?1，首小時吸收速率為1.78 g g?1 h?1。在模擬太陽光照射下，材料表面快速升溫，可滅活超過90%的細菌。收集到的水無細胞毒性，并能支持體外細胞生長。研究團隊還開發了一種集成該氣凝膠的太陽能-風能-電能混合驅動AWH裝置，收集到的水在動物實驗中未造成組織損傷，證實了其生物安全性。該研究以題為“Pathogen-free atmospheric water harvesting using a mussel-inspired wet-adhesive photothermal aerogel”發表在最新一期《nature water》上。

圖 1 | 常規AWH與貽貝啟發的PDA海綿無病原水收集的比較評估

氣凝膠的合成與表征

研究人員通過多步法制備了SA/CB-PDA/LiCl復合氣凝膠（圖2a）。首先將碳黑分散液與海藻酸鈉溶液混合，經冷凍干燥形成多孔骨架；隨后通過原位聚合在骨架表面包覆聚多巴胺；最后浸漬氯化鋰。掃描電鏡圖像顯示，該材料具有微米級互聯多孔結構（圖2c），EDS元素分布圖證實了PDA和LiCl在骨架中的均勻分布（圖2d）。XPS分析表明，Li?與PDA中的兒茶酚和胺基形成了Li-N和Li-O配位絡合（圖2f），這種螯合作用有效固定了吸濕鹽，防止其泄漏。

圖 2 | SA/CB-PDA/LiCl 氣凝膠的設計與表征

吸水-解吸性能和抗菌性能評估

該氣凝膠展現了優異的寬濕度范圍吸濕性能：在10%、30%、60%、90%和95% RH條件下，平衡吸濕量分別達到0.6、1.5、3.3、5.2和6.0 g g?1（圖3c）。在95% RH下，首小時吸收速率為1.78 g g?1 h?1，顯著高于SA/CB（0.36 g g?1 h?1）和SA/CB/LiCl（1.38 g g?1 h?1）對照樣品。在光熱性能方面，含CB的氣凝膠在1個太陽光強照射下60分鐘內表面溫度升至約70°C，而僅含PDA的樣品僅升至約48°C（圖3g），計算得光熱轉換效率高達46.5%。在解吸性能上，該材料在太陽光照射下可釋放超過99%的吸附水分(圖3h,i)。

抗菌實驗顯示，SA/CB-PDA/LiCl氣凝膠在太陽光照射下對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的殺滅率分別達到94.5%和98.3%（圖3j）。掃描電鏡觀察到，經光熱處理后細菌細胞膜出現明顯破裂（圖3k）；活/死細菌染色實驗也證實了膜損傷（圖3l）。這種協同抗菌效應源于PDA的細菌粘附能力和CB的光熱轉換能力的結合。

圖 3 | SA/CB-PDA/LiCl氣凝膠的水吸附、脫附及抗菌性能

室內AWH演示

在室內模擬實驗中，該氣凝膠在太陽能驅動下累計產水量為2.51 g g?1，在電加熱驅動下達3.05 g g?1（圖4c,d）。團隊開發的多模式AWH裝置采用20分鐘加熱與風扇交替運行的策略，在8小時內可穩定產水68.2-72.3 g，對應產水速率2.53-2.68 L m?3 h?1（圖4g）。經過14次吸附-解吸循環后，材料仍保持良好的結構和性能穩定性。

圖 4 | SA/CB-PDA/LiCl 氣凝膠的室內吸濕性能

戶外AWH示范

在新加坡國立大學進行的戶外測試中，該裝置在10:00-14:00期間，于25-35°C、55-80% RH條件下，5小時內收集到18.8 mL水，產水速率達0.31 g g?1 h?1（圖5a-d）。離子色譜分析表明收集水符合世界衛生組織飲用水標準。收集水培養7天后，人臍靜脈內皮細胞存活率>90%。在為期14天的Sprague Dawley大鼠喂養實驗中，未觀察到體重顯著變化或器官組織損傷（圖5e,f），證實了其優異的生物相容性。

圖 5 | SA/CB-PDA/LiCl 氣凝膠的戶外 AWH 測試和生物相容性

模塊化擴展潛力

研究表明，該氣凝膠可制備成不同幾何形狀和尺寸（最大20 cm），且保持均勻孔隙率和機械強度。溫度-濕度場模擬顯示，多層堆疊結構中具有均勻的濕熱分布。模塊化堆疊配置為大尺度應用提供了可擴展策略，通過反射隔熱和優化間隙設計可維持高熱效率。

總結與展望

本研究開發的SA/CB-PDA/LiCl超吸濕氣凝膠實現了高效大氣集水與光熱抗菌功能的集成。其在30%、60%、90%和95% RH下分別達到1.5、3.3、5.2和6.0 g g?1的吸濕量，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的殺滅率分別達94.5%和98.3%。該材料為資源有限地區的飲用水供應、災害救援和醫療保健提供了可擴展的生物安全集水平臺。未來的工作將聚焦于原位時間分辨表征和多菌種微生物評估，以更全面探究氣凝膠在實際操作環境下的長期防污性能。