生物聚合物基水收集材料：从自然结构到可持续水技术

《The Innovation》：Revealing water-biopolymer interactions: Toward advanced water collection from air

为解决全球水资源短缺问题，研究人员开展了基于生物聚合物的可持续大气水收集材料研究。该研究系统梳理了纤维素、甲壳素、淀粉等天然生物聚合物的多级结构特性及其与水分子的相互作用机制，揭示了其通过氢键网络、毛细管凝结等协同作用实现高效吸湿的规律。研究指出通过功能化修饰、孔结构调控等策略可显著提升材料的水收集性能，为开发低能耗、可生物降解的水资源获取技术提供了新思路，对实现联合国2030年可持续发展目标具有重要意义。

　　

全球水资源短缺已成为威胁人类可持续发展的重大挑战，传统的水资源开发方式面临能耗高、地域限制严苛等瓶颈。大气中蕴藏着约13,000立方千米的淡水储量，相当于全球河流淡水总量的6倍，如何高效开发这一“空中水库”成为近年来的研究热点。与需要将空气冷却至露点以下的冷凝法不同，吸附式大气水收集技术通过功能材料与空气中水汽的物理化学作用，实现低能耗、全天候的水资源获取，特别适用于干旱缺水但空气中仍含有一定湿度水汽的地区。

在这项发表于《The Innovation》的研究中，科研团队将目光投向了自然界储量丰富的生物聚合物。纤维素、甲壳素、淀粉等天然高分子材料因其可降解性、生物相容性和丰富的亲水官能团，展现出作为下一代水收集材料的巨大潜力。研究表明，这些生物聚合物具有从分子到宏观的多级有序结构，其羟基(-OH)、氨基(-NH₂)、羧基(-COOH)等官能团可通过氢键作用有效捕获水分子，而独特的孔道结构则为水分输送提供了天然通道。

为系统解析生物聚合物的水收集机制，研究团队从分子相互作用、多级结构调控和材料加工工艺三个层面展开了深入探讨。在分子水平上，生物聚合物的吸湿性主要源于其亲水官能团与水分子之间的氢键作用和静电相互作用。纤维素分子链上的羟基可通过形成O-H···O氢键与水分子的氧原子结合，结合能约为25 kJ/mol，这种中等强度的相互作用既保证了吸附容量，又使得水分子在温和条件下（如60-80°C）即可脱附。甲壳素中的乙酰氨基和氨基还可通过N-H···O氢键增强与水分子的结合能力，在中等湿度条件（30%-70% RH）下表现出优异的吸附性能。

研究团队通过Park吸附模型定量描述了生物聚合物的水吸附动力学：C_w= A_LB_La_w/(1+B_La_w) + K_Ha_w+ K_aa_wⁿ，其中A_L代表特异性吸附位点浓度，B_L为水分子与位点的亲和常数，K_H是亨利定律常数，K_a为团聚平衡常数。该模型成功拟合了生物聚合物在低湿度下的单层吸附、中等湿度下的多层吸附以及高湿度下的毛细管凝结全过程。

在多级结构调控方面，研究揭示了生物聚合物的结晶度、链排列方式对水传输的显著影响。高结晶度的纤维素区域因分子链紧密堆积而形成致密氢键网络，限制了水分子扩散，吸附速率较慢；而无定形区松散的无规线团构象为水分子提供了快速传输通道。通过磺化、羧基化等化学改性可破坏部分结晶区，增加极性位点可及性，使材料的平衡含水率提升至0.5 g g^-1（30% RH）。特别值得关注的是，天然木材中存在的定向维管束结构（孔径100 μm-10 mm）、细胞壁层状结构（10 nm-100 μm）和纤维素微纤丝网络（<10 nm）构成了理想的多级输水通道，孔隙率高达68%-85%。

材料加工工艺显著影响生物聚合物的最终性能。3D打印技术可通过精确控制纤维素墨水的剪切稀化行为，构建具有分级孔结构的吸湿骨架，材料连通性指数比冷冻干燥材料提高2.6倍，水分子扩散速率显著提升。相分离成型可诱导形成梯度孔隙，而干湿法纺丝则能实现分子链的定向排列，在保持高机械强度的同时获得优异吸水性。研究还发现，将生物聚合物与光热组分（如碳纳米管、石墨烯）复合，可构建太阳能驱动的吸附-脱附系统，利用太阳能触发水分快速释放，大幅降低能耗。

主要技术方法

研究通过分子动力学模拟分析了生物聚合物与水的相互作用能，采用3D打印构建分级多孔结构，利用低温相分离调控孔径分布，通过化学接枝引入磺酸基等强亲水基团，并借助动态水吸附分析仪测定材料在不同相对湿度下的吸附等温线。实验所用纤维素原料来源于木材、农作物秸秆等生物质资源。

研究结果

多级结构协同吸湿机制

研究发现生物聚合物的水吸附遵循“吸附-渗透-相变”三阶段动态过程。在吸附阶段，水分子通过氢键作用与亲水官能团结合形成“结合水”；渗透阶段发生毛细管凝结，在材料孔隙中形成“毛细水”；相变阶段则出现水分子团簇。木材等天然材料在吸湿区间（0%-95% RH）以细胞壁组分的水合作用为主，在超吸湿区间（95%-98% RH）则以毛细凝结为主导。

功能化修饰增强吸附性能

通过磺化、醚化等化学改性在纤维素分子链上引入强亲水基团，可显著提升材料在低湿度条件下的吸附能力。磺化木材的平衡含水率比未处理样品提高近3倍，且在30% RH下仍能保持0.39 g g^-1的吸附量。将吸湿盐（如氯化锂、氯化钙）负载到生物聚合物基质中，可通过潮解作用将气态水快速转化为液态水，进一步强化吸湿性能。

智能响应型水收集材料

研究团队还设计了温度响应型聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)复合材料，其在低临界溶解温度(LCST, 32°C)以下时，酰胺基团形成氢键网络，吸水率高达3.6 g g^-1；当温度高于LCST时，PNIPAM发生亲水-疏水构象转变，熵驱动释放80%吸附水。这种非平衡相变机制可使传统干燥过程能耗降低40%-60%。

研究结论与意义

该研究系统阐明了生物聚合物作为可持续水收集材料的结构-性能关系，揭示了其多级结构协同吸湿机制。通过分子设计、结构调控和加工工艺优化，可显著提升生物聚合物材料的水收集效率，为实现低能耗、可持续的大气水获取提供了新途径。这类材料不仅可利用太阳能等可再生能源驱动水循环，其可生物降解特性也符合绿色化学原则，对解决干旱缺水地区的水资源短缺问题具有重要应用价值。研究提出的“刚性骨架-柔性界面”Janus结构设计理念，为开发兼具快速吸附和长期稳定性的下一代水收集材料指明了方向。