麻省理工学院的工程师开发出一种高吸水性凝胶，即使在干旱地区，也能吸收空气中的水分。
该凝胶由注入盐分子的交联聚合物制成。当凝胶接触水蒸气时，盐分子会吸引水分子并将其拉入凝胶之中。
这意味着，少量凝胶便可在干旱地区提供可观的水量。
麻省理工学院的工程师合成了一种高吸水性材料，即使在类似沙漠的条件下，也能吸收创纪录数量的空气水分。
当该材料吸收水蒸气时，它会膨胀，从而为吸收更多水分腾出空间。即使在相对湿度仅为30%的极度干燥条件下，该材料也能从空气中吸附水蒸气，并在不泄漏的情况下锁住水分。随后，这些水分可被加热、冷凝，再以超纯水的形式收集起来。
这种透明的橡胶状材料由水凝胶制成，水凝胶是一种天然吸水材料，也被用于一次性纸尿裤。研究团队通过在水凝胶中注入氯化锂（一种已知具有强效干燥作用的盐类）来提高其吸水性。
研究人员发现，他们能够向水凝胶中注入比以往研究更多的盐分。因此，他们观察到，含盐凝胶在各种湿度水平下，包括以往材料设计难以应对的极度干燥条件，都能吸收并保留前所未有的水分量。
如果这种超吸水性凝胶能够快速、大规模地制造出来，便可用作被动式集水装置，尤其适用于沙漠和易发生干旱的地区，材料可持续吸收水蒸气，再将其冷凝为饮用水。研究人员还设想，该材料可以安装在空调机组上，作为一种节能除湿元件。
“我们一直不局限于特定应用，因为我们主要关注材料的基本特性，”麻省理工学院机械工程研究生、设备研究实验室成员卡洛斯·迪亚斯-马林（Carlos Díaz-Marin）表示，“但现在，我们正在探索截然不同的问题，比如如何提高空调效率，以及如何收集水。由于这种材料成本低、性能高，它的潜力非常大。”
迪亚斯-马林及其同事已将研究成果发表在论文中，该论文今日刊载于《先进材料》（Advanced Materials）。该研究的麻省理工学院合著者包括Gustav Graeber、Leon Gaugler、Yang Zhong、Bachir El Fil、Xinyue Liu和Evelyn Wang。
“两全其美”
在麻省理工学院的设备研究实验室中，研究人员正在设计新型材料，以应对世界的能源和水资源挑战。为寻找能够从空气中收集水分的材料，研究团队将目光锁定在水凝胶上——这种光滑、有弹性的凝胶主要由水和少量交联聚合物构成。水凝胶多年来一直被用作纸尿裤的吸收材料，因为它们接触水分时能够膨胀，并吸收大量水分。
“我们的问题是，怎样才能让它同样有效地吸收空气中的水蒸气？”迪亚斯-马林说。
他和同事查阅了大量文献，发现其他研究者曾尝试将水凝胶与各种盐类混合。某些盐类，例如用于融化冰雪的岩盐，吸收水分（包括水蒸气）的效率非常高。其中效果最佳的是氯化锂，这种盐能够吸收超过自身质量10倍的水分。若将氯化锂单独堆放，它可以从空气中吸引水蒸气，但水分只会聚集在盐的周围，无法被留存下来。
因此，研究人员尝试将盐分注入水凝胶中，从而制造出一种既能锁住水分、又能膨胀以容纳更多水分的材料。
“这是两全其美的方案，”现任柏林洪堡大学首席研究员的格拉伯（Graeber）说，“水凝胶能够储存大量水分，而盐分能够捕获大量水蒸气。因此，将两者结合起来是很自然的想法。”
加载所需时间
但麻省理工学院的研究团队发现，其他研究者能够向凝胶中加载的盐量都存在上限。迄今表现最佳的样品是每克聚合物注入4至6克盐的水凝胶。在相对湿度为30%的干燥条件下，这些样品每克材料可吸收约1.5克水蒸气。
在大多数研究中，研究人员此前都是将水凝胶浸泡在盐水中，等待盐分渗入凝胶来制备样品。大多数实验在24至48小时后便告结束，因为研究人员发现该过程过于缓慢，且进入凝胶的盐量很少。在测试所得材料吸收水蒸气的能力时，由于样品中原本含盐量很少，无法吸收水分，因此吸水量极低。
如果延长材料合成时间，比如持续数天甚至数周，会发生什么？如果给予足够时间，水凝胶能否吸收更多盐分？为寻找答案，麻省理工学院的研究团队使用聚丙烯酰胺（一种常见的水凝胶）和氯化锂（一种高吸水性盐）开展了实验。研究人员先通过标准混合方法合成水凝胶管，然后将这些管子切成薄圆片，并将每个圆片放入含有不同盐浓度的氯化锂溶液中。他们每天将圆片从溶液中取出称重，以确定渗入凝胶的盐量，然后再将其放回溶液中。
最终，他们发现，的确如此：给予更多时间，水凝胶会吸收更多盐分。在盐溶液中浸泡30天后，水凝胶可吸收多达每克聚合物24克盐，而此前的纪录为每克聚合物6克盐。
随后，研究团队对不同样品的含盐凝胶进行了多种湿度条件下的吸收测试。他们发现，这些样品在所有湿度水平下都能膨胀并吸收更多水分，且不会泄漏。最值得注意的是，研究团队报告称，在相对湿度为30%的极度干燥条件下，凝胶每克材料可捕获“破纪录”的1.79克水分。
“沙漠在夜间的相对湿度都很低，因此可以想象，这种材料能够在沙漠中制取水。”迪亚斯-马林说。他目前正在寻找加快该材料超吸水性能的方法。
“最大的意外之处在于，我们仅采用如此简单的方法，便获得了迄今报道的最高水蒸气吸收量，”格拉伯说，“现在，主要的重点将是动力学研究，即材料吸水的速度有多快。这将使我们能够快速循环使用该材料，从而不必每天回收一次水，而是可能每天收集多达24次水。”
本研究部分得到了美国能源部能源效率与可再生能源办公室以及瑞士国家科学基金会的资助。
