封面故事|港城大呂堅院士團隊《Advanced Materials》：仿生海星結構水凝膠！

近日，一項聚焦太陽能驅動空氣取水的新成果登上國際頂級期刊《Advanced Materials》封面。港城大呂堅院士/華南理工大學綦戎輝教授團隊受海星呼吸結構啟發，提出了一種基于極小曲面（TPMS）結構的纏結水凝膠網（TSEHs），為高效、持續的空氣取水提供了全新思路。

大氣水收集（AWH）正逐漸成為一種可持續的淡水生產策略。然而，由于吸附動力學緩慢，尤其是在厚吸濕性水凝膠的情況下，實現快速大氣水收集仍然面臨挑戰。港城大呂堅院士/華南理工大學綦戎輝教授合作，利用3D打印技術，模仿海星骨架的多孔結構，制備了一種基于極小曲面（TPMS）結構的纏結水凝膠網（TSEHs），其具有分級多孔結構，有利于提高傳質系數并形成顯著的空氣-吸濕位點界面，這種基于TPMS的分級結構賦予了TSEHs快速的吸附-解吸動力學。

空氣中蘊藏著巨量淡水資源，但如何快速、穩定地把這些水“抓住”并釋放出來，一直是該領域的關鍵難題。傳統吸濕水凝膠雖然儲水能力強，卻常常因為內部結構致密、傳質路徑過長，導致“吸得慢、放得也慢”，尤其在厚尺寸條件下性能下降明顯。針對這一瓶頸，研究團隊通過3D打印結合冷凍成膠技術，構建出具有毫米級通道、微米級縫隙、亞微米孔隙和分子纏結網絡的多級孔結構，大幅降低水汽傳輸阻力。

圖1. “仿生海星孔工程”以增強AWH性能。 (a) 海星的光學圖像。 (b) 胞狀聚集體的放大圖像。所選胞狀區域在(a)中標記。 (c-d) 胞狀及海星骨骼的掃描電鏡圖像。 (e) TSEHs的示意圖。 CDHs和TSEHs的吸附時間(f)和水釋放性能（在1個陽光下，30分鐘）(g)的比較。 (h) CDHs和TSEHs的水吸收時間的厚度相關性。該孔工程水凝膠顯著提高了空氣取水表現，具有在催化、力學等方面應用拓展潛能。

圖2. TSEHs的多尺度表征。TSEHs表現出明顯的多級孔結構，顯著增加了空氣-吸濕位點的表面積并降低蒸汽在凝膠內部的傳質阻力，提高了AWH的表現

圖3. (a-c) TSEHs在機制上表現出相較CHDs和無多級孔結構的TPMSs顯著增強的空氣取水效率和傳質能力; (d-f) 該工作制備的超厚水凝膠吸濕結構在不同厚度下均表現出了優異的空氣取水性能。

實驗結果顯示，與傳統致密水凝膠相比，這種仿生結構將吸附時間顯著縮短，在4 mm厚度下吸水速度提升約3.85倍；即使厚度增加到12 mm，其吸濕性能仍然保持優異。更令人矚目的是，團隊展示了50 mm超厚吸濕凝膠的快速吸水能力，這在現有報道中處于領先水平。與此同時，該材料在1個太陽光照射下可快速升溫并高效釋水，連續集水原型裝置實現了4.89 kg m-2的產水速率，展現出良好的實際應用潛力。

圖4. 脫附性能與空氣取水器件設計。團隊同時設計了周期性旋轉的空氣取水器件，實現了在一個太陽光下的高效產水。

這項工作不僅為生物啟發材料設計和高效空氣取水技術提供了新范式，也為面向缺水地區的低能耗淡水獲取方案打開了新的可能。未來，該策略還有望與建筑表皮、光伏系統等場景進一步融合，為緩解水資源與能源雙重壓力提供創新路徑。

毛正義、于翰洋、于楨為本文共同第一作者，其他作者還包括唐志賢、李堃瑋、Amr Osman、沈君達、張磊、湯思晗、段曉光。

文獻鏈接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202515166

通訊作者簡介：

呂堅，法國國家技術科學院院士，美國國家發明家科學院（NAI）院士，香港工程院院士，香港城市大學工學院院長、講席教授，先進結構材料研究中心主任。香港材料研究會（HK-MRS）理事長，香港力學學會前理事長。在Nature（封面文章）、Science、Nature Materials、Nature Chemistry、Nature Water、Nature Communications、Science Advances、PNAS、Advanced Materials、Materials Today、PRL、JACS等雜志上發表論文650余篇，引用5萬6千余次，H Index=108，2025年“科睿唯安”全球高被引科學家，91項歐、美（53項）、中發明專利獲授權。北京科技大學、東北大學、西安交大等大學名譽教授，上海交大、西北工業大學、西南交通大學顧問教授。2018年獲中國工程院光華工程科技獎。個人主頁：https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian

綦戎輝，華南理工大學化工學院教授、博士生導師，熱質傳遞與低碳轉化(原傳熱強化與過程節能)教育部重點實驗室副主任，長期致力于電解質膜傳熱傳質、電化學-多物理場耦合建模、濕度發電及吸濕材料開發等相關研究，曾獲國家自然科學基金青年B類基金及廣東省杰出青年基金。主持、參與國家、省部級項目十余項。以第一/通訊作者發表SCI論文60余篇，授權發明專利12項。應邀做國內外學術會議特邀報告20余次（其中大會報告2次）。任SCI期刊 Building Simulation、Energy and AI、International Journal of Green Energy編委、Fundamental research 青年編委。個人主頁：https://www2.scut.edu.cn/ce/2017/1023/c2421a224383/page.htm。