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为解决亲水孔中冷凝水难获取、超疏水材料难从欠饱和蒸汽冷凝的问题，研究人员探究两亲性纳米多孔聚合物渗透纳米颗粒薄膜（PINFs）。发现其可在等温欠饱和条件下冷凝并释放液态水，优化了相关参数，为高效集水和热管理材料设计提供洞见。
在水资源日益匮乏与热管理需求激增的当下，从潮湿空气中高效收集水资源、实现无能耗热管理成为科学界与工业界的焦点。传统亲水多孔材料虽能通过毛细冷凝（Capillary Condensation）从欠饱和水蒸气中生成液态水，却因冷凝水被困于材料内部而难以利用；超疏水材料虽便于收集水滴，却难以在欠饱和条件下诱导冷凝。如何平衡材料的亲疏水性，使其既能高效冷凝水蒸气，又能自发释放液态水，成为亟待突破的关键科学问题。
为攻克这一难题，研究人员开展了两亲性纳米多孔结构的相关研究。通过巧妙设计，他们构建了由疏水聚合物（如聚乙烯 PE）和 hydrophilic SiO?纳米颗粒（NPs）组成的两亲性纳米多孔聚合物渗透纳米颗粒薄膜（Polymer-Infiltrated Nanoparticle Films, PINFs），旨在通过调控纳米孔内亲疏水区域的比例与孔径尺寸，实现欠饱和水蒸气的高效冷凝与液滴释放。这项研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为能源高效型集水材料与电子设备热管理技术开辟了新路径。
研究中采用了多种关键技术方法：
- 材料制备：通过毛细上升渗透（CaRI）技术，将熔融态 PE 渗透到 SiO?纳米颗粒堆积层的间隙中，制备出具有可控亲疏水性比例的 PINFs 薄膜，通过调整 PE 体积分数（?PE）和纳米颗粒尺寸（如 7 nm、22 nm SiO? NPs）调控纳米孔结构。
- 表征技术：利用椭圆偏振光谱（Ellipsometry）原位监测不同相对湿度（RH）下薄膜的有效折射率变化，结合 Bruggeman 有效介质近似（EMA）模型分析冷凝水在纳米孔中的填充过程；通过接触角测量、扫描电子显微镜（SEM）和光学显微镜观察薄膜表面的润湿性与液滴形成过程。
- 模拟计算：运用粗粒度晶格模型（Coarse-Grained Lattice Model）模拟聚合物渗透与毛细冷凝过程，分析纳米孔内亲疏水界面的相互作用对冷凝路径的影响，揭示液滴形成的热力学机制。
宏观水滴在两亲性纳米多孔 PINFs 上的形成
研究发现，当 PINFs 暴露于高但欠饱和湿度（RH >~90%）时，无需冷却即可在薄膜表面自发形成宏观水滴。关键参数包括：?PE 需维持在 0.05-0.35 的中等范围，以形成由亲水 SiO?表面和疏水 PE 表面组成的两亲性纳米孔；纳米颗粒尺寸≤22 nm 且 RH>90% 时，冷凝效率显著提升。光学显微镜观察显示，水滴在数秒内形成并通过合并生长，其体积与薄膜厚度呈线性关系，表明液滴源自纳米孔内冷凝水的渗出，而非表面直接冷凝。
两亲性纳米多孔 PINFs 的表征
接触角测量表明，随着 ?PE 增加，薄膜表面从亲水性（~0°）逐渐转变为疏水性（~100°），且大尺寸纳米颗粒薄膜的接触角突变阈值更低。粗粒度模拟揭示，聚合物优先填充纳米颗粒间隙的弯曲区域，形成连接颗粒的 “毛细管桥”，且表面聚合物富集需达到一定阈值（?PE/?void>50-75%）才会显著影响润湿性。纳米孔填充呈现 “非均匀填充” 特性，即部分孔完全填充聚合物，其余保持空置，这解释了不同 ?PE 下冷凝临界 RH 的一致性。
两亲性纳米多孔 PINFs 中的毛细冷凝
椭圆偏振光谱显示，当 RH 升至 70% 时，纳米孔被冷凝水完全饱和，折射率趋于稳定；RH>70% 时，薄膜厚度增加，表明冷凝水溢出至表面形成液滴。两亲性界面通过平衡毛细作用力与疏水排斥力，使冷凝水在欠饱和条件下稳定存在并自发渗出。模拟结果与实验吻合，显示冷凝过程分为低 RH 时的毛细润湿、中 RH 时的孔填充和高 RH 时的表面液滴形成三个阶段。
两亲性纳米孔排出水引发的自发液滴形成
液滴形成动力学研究表明，初始微米级液滴（~1 μm）在 97% RH 下数秒内出现，随后通过合并增大，数量减少而总体积增加。液滴体积随 ?PE 呈钟形曲线，峰值出现在 ?PE=0.13，表明亲疏水性平衡对液滴释放至关重要。临界 RH 随纳米颗粒尺寸增大而升高，揭示了毛细作用在液滴形成中的决定性作用。
自发水滴形成的普遍性
研究验证了不同疏水聚合物（PE、聚苯乙烯 PS、聚二甲基硅氧烷 PDMS）的适用性。结果表明，PS 基 PINFs 表现出与 PE 基类似的液滴形成行为，而 PDMS 基薄膜因与 SiO?相互作用强、暴露亲水表面少，液滴产量显著降低。这证实了两亲性界面设计的普适性，即需同时具备足够亲水位点诱导冷凝和疏水区域促进液滴释放。
结论与讨论
本研究揭示了两亲性纳米孔在等温欠饱和条件下的 “冷凝 - 渗出” 机制，突破了传统亲水 / 疏水材料的性能局限。通过调控纳米孔的亲疏水性比例、孔径尺寸与湿度条件，PINFs 可实现高效集水与无能耗热管理。研究结果为设计仿生集水材料（如模拟纳米布甲虫背部结构）、电子设备自冷却涂层及干旱地区可持续水资源管理提供了新范式。未来研究可进一步探索多级孔结构、非球形纳米颗粒及规模化制备技术，以推动实际应用。
这项工作不仅深化了对纳米尺度亲疏水界面毛细现象的理解，更通过跨学科研究为解决全球水资源与能源挑战提供了创新思路，展现了纳米材料在可持续技术领域的巨大潜力。
