仿生智能晶体开创节能集水新技术
在干旱地区，获取清洁水源变得日益困难，水资源短缺仍然是全球最紧迫的挑战之一。在一项突破性的研究中，科学家从大自然的集水机制中汲取灵感，特别是从沙漠甲虫和蜥蜴等生物身上得到启发，创造出了一种创新的解决方案。
来自中国吉林大学、美国纽约大学阿布扎比分校智能材料实验室以及纽约大学阿布扎比分校智能工程材料中心的研究团队开发了一种名为“双面晶体”（Janus crystals）的新型晶体材料。这种智能晶体无需能量输入即可从雾气中高效收集水分，模仿了沙漠生物的自然适应机制。
在美国纽约大学阿布扎比分校智能工程材料中心及智能材料实验室的Panče Naumov教授，以及中国吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室的张红雨教授的带领下，研究团队成功设计出同时具有亲水和疏水区域的晶体，创造出一种在常温下能够自发运行的精密集水系统。与传统的高能耗海水淡化等制水方法相比，这种创新方法代表着重要进步，为干旱地区的水资源收集提供了潜在的可持续解决方案。研究团队在《美国化学学会志》发表的最新论文中详细介绍了这一研究成果。
近期，我们有幸采访了化学教授Panče Naumov博士，深入了解这项卓越的研究：
问：是什么启发了您们开发双面晶体？沙漠生物如何影响了您们的设计？
答：我们的项目始于一个基本目标：为获取淡水寻找可持续的解决方案。我们与吉林大学在晶体材料方面的持续合作自然而然地发展到解决这个关键挑战，这在中东地区和全球都具有特殊意义。阿联酋目前约96%的饮用水依赖于海水淡化——这是一个高能耗过程，使用有问题的膜材料和被称为”永久化学物质”的含氟聚合物，这些物质使用后无法降解。
为了摆脱这些不可持续的方法，我们将注意力转向了一个未开发的资源：大气中的水分。我们意识到，通过使用合适的材料，我们可以从潮湿的空气中收集水分，而不需要承担与海水淡化相关的能源成本。
大自然通过沙漠生物的神奇适应性为我们提供了蓝图。例如，纳米比亚沙漠甲虫利用特殊的表面结构从雾中收集饮用水，这种结构结合了吸水和疏水区域。通过研究这些自然系统，我们开发出了模仿这些生物集水机制的双面晶体，创造出了一种节能的集水解决方案。这项研究成果展示了我们成功地将自然界经过时间检验的策略转化为工程材料。
问：您能描述构成双面晶体的具体有机化合物和结构吗？能解释一下它们各自是如何赋予晶体亲水和疏水特性，从而实现高效集水？
答：双面晶体新概念的核心理念是复制某些沙漠生物体表现出的双面策略。这些生物依靠具有两种不同区域的表面生存——一个容易吸引水（亲水性），另一个排斥水（疏水性）。在我们的合成方法中，需要创造一种能有效模仿这种双重性的单一晶体材料。
为实现这一目标，我们从三种化学性质各异的化合物开始培养有机晶体。我们选择有机材料是因为它们重量轻、非聚合物性质，而且可能具有生物降解性，符合可持续发展的方向。关键步骤是通过硅烷化过程仅对晶体的一面进行疏水涂层处理，而另一面保持原有的天然亲水性。从本质上说，晶体的”双面”特性——以罗马双面神雅努斯命名——源于一面强烈吸引和凝结水蒸气，另一面则沿着疏水表面引导这些凝结的水滴流向收集点。
通过选择不同的有机化合物并应用这种半对半的改性方法，我们证明了这个概念适用于多种化学结构。最终得到了一个多功能、无需能量输入的集水平台，利用自然相变和双面特性高效捕获和输送大气中的水分。
问：您认为多大的晶体对于集水最有效？
答：我们进行了广泛的研究，考察了晶体的尺寸、长宽比等因素，以及不同湿度水平和其他条件的影响。通常，我们使用长度从几毫米到几厘米的晶体。这个尺寸范围使晶体便于操作和处理，这对实验工作和潜在的实际应用都很重要。
这个尺寸范围的晶体往往具有细长的形状和较高的表面积体积比。这种构型提供了高效集水的关键优势——单位质量和体积的可用集水表面积较大。通过优化成分，我们成功制造出不仅重量轻、易于操作，而且集水效率很高的晶体。
问：您能否解释晶体上的亲水和疏水区域是如何协同工作的吗？是什么让您的方法变得”智能”？
答：这些晶体采用独特的设计，在细长晶体结构的相对两面分别设置亲水和疏水区域。天然情况下，晶体表面具有较好的亲水性，我们通过在晶体的一半涂覆硅基涂层来创造疏水区域——这个过程可以简单到仅仅将晶体的一半浸入聚合物溶液中。
我们系统特别创新的地方在于它的自感知能力。这些晶体具有光学传导性，能像光波导一样通过全内反射在内部引导光线。通过从晶体一侧照射光线，我们可以实时监测集水过程。晶体-空气界面和晶体-水界面的光反射或散射模式不同，使我们能够追踪水滴何时附着和脱离表面。
我们在各种条件下测试了这个监测系统以确保其可靠性。展望未来，我们计划将这些晶体捆束在一起以增加收集表面积，并同时监测所有晶体。这将通过实时反馈实现水收集过程的自动优化，使我们的晶体成为真正的智能响应技术。
问：这些晶体的生命周期是如何？它们可以无限期使用吗？
答：理论上，这些晶体可以无限期使用，因为它们不会溶于水。虽然我们仍需要进行长期寿命研究，但它们的有机成分特性允许持续使用。我们也在探索生物可降解材料的应用可能性——特别是在偏远地区，系统可以在预定时期后自然分解，不会留下有害的环境足迹。
问：与现有的大气集水方法相比，双面晶体的集水效率如何？
答：我们的晶体在单位质量和单位面积的集水效率方面都创下了纪录。我们在论文中发表的对比研究显示，只有一种材料——一种聚合物网——的效率接近我们的晶体。然而，我们的晶体采用完全不同的原理，而且不含不可降解的塑料，考虑到目前对聚合物材料的环境担忧，这一点非常重要。论文中详细记录了效率数据，包括收集时间等指标。
问：将这项技术扩展到工业规模时，您是否预见到任何挑战？
答：从实验室概念转化为完整的工业产品需要经历优化和工程改进阶段。作为化学家，我们提供了初始理念，但机械稳定性、运输过程中的耐久性、抗振性能和实际应用中的稳定表现等工程考量需要由专业人士来解决。我们希望工程师和行业专家能在我们的工作基础上，完善这个概念，最终开发出可靠、高效的大规模应用系统。
问：海水淡化需要大量能源，而您的方法则不需要。您能详细说明使用双面晶体相比传统海水淡化技术有什么优势吗？
答：传统海水淡化是在逆转一个自然倾向的过程——盐在水中的溶解——这需要消耗大量能源。无论是加热水进行蒸馏，还是通过压力将水推过膜（反渗透），都存在固有的能源成本。即使尝试使用太阳能，也无法完全抵消这种能耗。
海水淡化还面临其他挑战：膜污染、化学清洗造成的环境足迹，以及高盐度卤水的处理问题。相比之下，我们的双面晶体依靠自然湿度波动工作，不需要外部能源输入。通过避免使用高压系统、加热和有害化学品，我们的方法减少了环境影响、能源消耗和长期生态损害。双面晶体代表着一种比传统海水淡化方法更清洁、更可持续的替代方案。
问：晶体收集的水在饮用前是否需要额外净化？
答：凝结过程通过将水从气态转化为液态，自然而然地实现了水的净化，许多杂质会被留在后面。这个原理类似于实验室中通过蒸馏和凝结进行溶剂纯化。我们的目标是通过利用表面特性的组合来增强这个自然过程，实现直接、低能耗地从大气中获取相对纯净的饮用水，而无需额外处理。
问：您能描述一下参与这项研究的机构之间的合作以及其影响吗？
答：我们与吉林大学的合作特别富有成效——在过去的四到五年里，我们共同发表了二十多篇论文。这种协同效应，加上我们的国际网络，帮助建立了有机晶体作为一类具有独特性能组合的新型材料的地位。我们研究的重要性通过最近获得美国国防部的资助得到了突显，这对于一个位于中东的实验室来说尤为显著。这样的支持凸显了我们工作的全球相关性和潜在影响力。
问：生产这些晶体需要什么温度条件？需要高温炉吗？
答：不需要，这些晶体在室温下通过有机溶剂形成，无需使用炉子或高温条件。这种简单性使它们区别于许多聚合物基材料，后者难以降解并导致微塑料污染。我们的小分子有机晶体对环境无害，并且可能自然分解。现在，随着我们认识到聚合物的弊端并寻求既可持续又实用的替代品，这种方法显得特别有吸引力。
问：双面晶体如何整合到集水系统中，有哪些可能的优化方式？
答：扩大规模可以很简单，就像使用更多的晶体一样直接。我们目前使用三种不同的材料，这让我们能够比较和微调它们的疏水和亲水性能，以获得最佳的吸水效果。将晶体捆束在一起是增加集水表面的简单方法，但也可以开发更复杂的集水装置几何结构，以最大限度地提高对湿度的暴露程度和效率。在材料和设计方面都有充足的创新空间来提高整体性能。
问：这项技术可能对缺水地区产生什么影响？您如何看待它在未来集水中的作用？
答：我们需要在获取淡水方式上有一个范式转变。大气中蕴含着大量的水——约18,000立方公里——等待被利用。虽然在某些情况下，我们的方法可能无法达到海水淡化的效率，但它在无法实施海水淡化的偏远或山区地区显示出独特优势。
我们的技术提供了一个中间选择，提供一种可持续的方法，虽然不像海水淡化那样需要大量资源，但仍能提供可靠的集水功能。通过利用自然原理，我们为解决全球水资源短缺增添了一个有价值的解决方案。
结论：
双面晶体体现了仿生设计与前沿材料科学的完美融合。通过借鉴沙漠生物进化出的策略，合作研究团队开发出了一个无需能量输入、具有自感知能力的平台，为传统集水方法提供了可持续的替代方案。尽管在扩大规模、提高耐久性和将这些晶体整合到复杂系统中还面临挑战，但基础性的成就已经显而易见。双面晶体不仅为更清洁、更高效的集水提供了途径，也突显了仿生工程的变革潜力。