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出品：科普中國

作者：石暢（物理化學(xué)博士）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為了解前沿科技動態(tài)，科普中國前沿科技項目推出“帶你讀懂科學(xué)頂刊”系列文章，精選權(quán)威期刊的優(yōu)秀論文，第一時間用通俗語言進行解讀。讓我們透過頂刊之窗，拓寬科學(xué)視野，享受科學(xué)樂趣。

在科技飛速發(fā)展的今天，水果和蔬菜似乎已經(jīng)擺脫了季節(jié)的限制，西瓜不再是夏季的專屬，白菜也不再霸占冬季蔬菜榜的首位。當(dāng)新鮮的蔬菜和水果端上我們餐桌的時候，我們是否注意到在這份“美食”的背后，存在著一個“生態(tài)王國”——溫室大棚。

溫室種植

溫室大棚，作為農(nóng)業(yè)科技的重要成果，不僅打破了季節(jié)與地域的限制，讓食物的供應(yīng)更加穩(wěn)定與多樣化，還極大地豐富了我們的飲食文化。然而，隨著溫室大棚數(shù)量的不斷增加，一個不容忽視的問題也浮現(xiàn)出來，那就是水資源的浪費。

據(jù)統(tǒng)計，溫室農(nóng)業(yè)用水在人類用水中占有的比例超過50%，溫室的灌溉水在滿足農(nóng)作物根系需求的同時，也通過土壤蒸發(fā)和植物蒸騰作用悄悄地流失，對地球?qū)氋F的水資源造成了巨大浪費，同時也是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展道路上的一道難題。

水凝膠：一種神奇的吸水材料

在生活中小朋友經(jīng)常會玩到一種吸水變大的玩具“水寶寶”。這是一種小顆粒、球狀的玩具，將“水寶寶”放在水里浸泡一會兒，便會發(fā)生膨脹，就像“生長”了一樣。五顏六色的Q彈小球讓人們?nèi)滩蛔∪ツ笠幌?，但是你知道這種Q彈的水寶寶是怎么來的嗎？

這種可以吸水的材料叫做水凝膠，是一種具有特殊三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子材料，能夠在水中迅速溶脹并保存大量的水而自身不溶解。

水凝膠根據(jù)材料的來源可以分為天然水凝膠和合成水凝膠。

天然高分子水凝膠：以天然高分子材料為主體制備而成，如明膠、殼聚糖、海藻酸鈉、膠原蛋白、透明質(zhì)酸等。這些材料大多來源于動物組織或海洋生物，因此具有生物相容性良好和可降解的特點。

合成高分子水凝膠：由合成材料通過聚合反應(yīng)得到的高聚物，如聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚丙烯酸、聚乙烯醇等。這類水凝膠具有結(jié)構(gòu)可控性好、重復(fù)性好以及機械性能優(yōu)異的特點。

具有吸水特性的水凝膠是否可以用于溫室大棚的水管理呢？

2024年7月10日，中國科學(xué)家在《自然-水》（Nature Water）雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于太陽能驅(qū)動的吸濕水凝膠的文章，該水凝膠可實現(xiàn)水的快速吸收和釋放，應(yīng)用于溫室種植可實現(xiàn)植物蒸騰和土壤蒸發(fā)水的被動回收，具有節(jié)能和節(jié)水的效果。

研究成果發(fā)表于《Nature Water》雜志

（圖片來源：《自然-水》雜志）

研究者以氮化鈦（TiN）、凝膠多糖（CUR）、聚丙烯酸鈉（PAAS）和氯化鋰（LiCl）為原料，通過“交聯(lián)-冷凍干燥”的工藝制備了多孔的水凝膠材料（TCP-Li）。交聯(lián)反應(yīng)是一種重要的化學(xué)反應(yīng)，是指兩個或多個分子相互鍵合交聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。這種反應(yīng)能夠顯著提升材料的強度、耐熱性、耐磨性、耐溶劑性等性能。氮化鈦是一種光熱轉(zhuǎn)換材料，可以將吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能。

凝膠多糖在水溶液中經(jīng)過加熱可以形成凝膠的狀態(tài)。聚丙烯酸鈉是一種高吸水性聚合物，在水凝膠材料中發(fā)揮著吸收和保存水的作用。氯化鋰可以賦予材料吸收水蒸汽的能力，大大提高了材料的捕水能力。

水凝膠的制備過程；b-c. 水凝膠的斷層掃描電鏡圖像；d. 水凝膠的元素分布圖；e. 材料的X射線衍射圖；f. 材料的紅外光譜圖；g. 水凝膠的紫外-可見-近紅外吸收光譜圖.

（圖片來源：參考文獻1）

研究者對制備的TCP-Li水凝膠材料進行了水吸附和解吸附的實驗，以驗證其在水分吸收和釋放的能力。實驗結(jié)果表明，該水凝膠材料具有較強的吸水能力，在30℃溫度條件下，60%和90%的相對濕度環(huán)境中，每克水凝膠材料的吸水量分別為2.8和3.38克。

水凝膠材料要想實現(xiàn)水循環(huán)，具有高的吸濕性還不夠，同時還要具有快速釋放水的能力。研究者在模擬陽光的環(huán)境中對水凝膠材料的水分釋放能力進行了測試。

實驗結(jié)果表明，TCP-Li水凝膠材料在模擬陽光光源的條件下還能夠快速地進行水分的釋放，即使在60%的太陽光照射強度下，也能在60分鐘內(nèi)釋放95%的水分。與此同時，該材料還具有高的使用壽命，在完成15個水分子吸收和釋放實驗后，吸濕容量的衰減值低于3%。

水回收裝置TEAD的結(jié)構(gòu)示意圖；b. TEDA吸附-解吸過程中的傳熱、

傳質(zhì)分析；c. TEDA裝置圖；d. 解吸過程中TEAD的紅外溫度圖.

（圖片來源：參考文獻1）

在對TCP-Li水凝膠進行性能測試后，研究者還利用該材料制備了一種水回收裝置（TEAD），該裝置可以在夜間收集作物蒸騰和土壤蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸汽，并且在白天太陽光作用下釋放水分用于農(nóng)作物的灌溉。實驗結(jié)果顯示，TEAD水回收裝置每天可從每株植物收集87.1克水，每平方米可回收1890.6克水，實現(xiàn)了44.9%的節(jié)水效果，大大降低了灌溉水的浪費。

水凝膠的其他用途

護膚領(lǐng)域，水凝膠可以做成面膜，起到緊密貼合肌膚，有效鎖住并釋放水分的作用，為肌膚提供長時間的深層滋養(yǎng)，幫助肌膚恢復(fù)水潤光澤。

環(huán)保領(lǐng)域，水凝膠也被用來開發(fā)各種高效的水處理材料。它們能夠吸附并去除水中的重金屬離子、有機污染物等有害物質(zhì)，有效凈化水質(zhì)，保障人們的飲用水安全。

水處理

智能材料領(lǐng)域，水凝膠以其對水獨特的響應(yīng)能力，被廣泛應(yīng)用在智能材料領(lǐng)域。例如，刺激響應(yīng)水凝膠可以根據(jù)外部環(huán)境的變化（如溫度、濕度等）發(fā)生形變或產(chǎn)生電信號，為智能穿戴設(shè)備提供新的功能和交互模式。

結(jié)語

太陽能驅(qū)動水凝膠的誕生，不僅是對傳統(tǒng)溫室大棚的一次重大突破，更是對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展理念的踐行。它讓我們看到，在科技的助力下，人類有能力克服自然資源短缺的難題，創(chuàng)造出更加綠色、環(huán)保、高效的生產(chǎn)模式。我們期待這種高科技材料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，為節(jié)約水資源和農(nóng)業(yè)的高科技發(fā)展貢獻出寶貴的力量。

參考文獻：

1.Zou, H., Yang, X., Zhu, J. et al. Solar-driven scalable hygroscopic gel for recycling water from passive plant transpiration and soil evaporation[J]. Nat Water , 2024.

2.Achour, Y. et al. Technological progresses in modern sustainable greenhouses cultivation as the path towards precision agriculture[J]. Renew. Sust. Energ. Rev. 12021.

3.崔桂官,徐禮勤.溫室大棚灌溉技術(shù)的探討[J].節(jié)水灌溉, 2007.

4.翟茂林,哈鴻飛.水凝膠的合成、性質(zhì)及應(yīng)用[J].大學(xué)化學(xué), 2001.

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