bob客户端下载清华大学曲良体教授《自然·通讯》：动态太阳能界面水蒸发

　　bob客户端下载淡水是人类社会赖以生存和发展的基础，而目前可供人类直接利用的淡水资源已不足总水资源的0.36%。据报道，全球有超过三分之二的人群正面临不同程度的水资源短缺问题。太阳能界面水蒸发技术（ISVG）是在光热材料表面利用太阳能促进水汽相变的技术，通过将光生热量局域在材料表面用于蒸发，极大地降低了材料向体系外的热量损失，因此可以高效地促进液态水向气态水的转变，有望在未来解决淡水资源短缺问题。然而，目前的太阳能界面水蒸发材料仍然面临蒸发速率低、盐分析出结晶等问题，极大地限制了其进一步发展和实际应用。

　　基于此，清华大学曲良体课题组提出动态太阳能界面水蒸发概念，利用磁性纳米颗粒在微观和宏观上同步的动态重构，bob客户端下载解决了蒸发过程中水蒸气扩散受阻的问题，将蒸发速率提升至5.9 kg m-2 h-1（图1）。相关工作发表在《Nature Communications》上，清华大学化学系博士生胡亚杰为本文第一作者，中国科学院力学研究所刘峰副研究员，清华大学化学系程虎虎助理研究员、曲良体教授为本文通讯作者。

　　作者利用氧化石墨烯和四氧化三铁纳米颗粒之间的静电相互吸引将氧化石墨烯片层包裹在四氧化三铁纳米颗粒表面，再经还原后构筑了石墨烯包覆的四氧化三铁纳米颗粒。石墨烯的包覆在不影响磁性响应的前提下，增强了纳米颗粒的稳定性和全光谱吸光率（图2）。

　　以石墨烯包覆的四氧化三铁纳米颗粒作为组装单元，在外磁场的作用下，纳米颗粒可以自发组装形成罗森斯威格不稳定性所决定的锥状阵列结构（图3）。当撤去磁场后，该结构可迅速解组装成为分散的纳米颗粒，并且可在外磁场的控制下进行移动、变形、再组装等操作。同时，石墨烯的包覆改变了纳米颗粒的表面行为，一方面抑制了颗粒间的不可逆聚集，保证了组装体的解组装能力；另一方面改变了组装体的微观结构，在组装体内部引入了丰富的多级孔道结构，增强了组装体的水传输行为。

　　基于该组装体，作者探究了其静态蒸发行为（图4）。相对于平面，锥形组装体具有更好的蒸发性能，包括更高的蒸发速率、抗结盐能力、重构再生能力。通过对比不同光照强度下的蒸发速率和红外热成像温度分布，作者发现该锥形组装体的高蒸发速率来源于其锥顶对环境热能的利用，而锥底由于水蒸气扩散受阻抑制了其热量流入。bob客户端下载据此作者提出了由界面蒸发和水蒸气扩散共同控制的物理模型，并通过有限元分析给出了理论佐证。

　　接下来，为了解决在蒸发过程中水蒸气扩散受阻的问题，作者利用该可重构磁性响应组装体在变化外磁场下的运动行为，构建了动态蒸发体系。在外磁场的周期圆周运动下，该锥形组装体可随之动态旋转（图5）。随着转速的提高，其蒸发速率也随之提高，较之静态蒸发过程，动态蒸发速率可提升20%以上。

　　进一步，作者详细探讨了动态蒸发过程的增强机理（图6）。首先，该锥状结构在宏观变形角度改变的时候仍可以保证高的吸光率。同时，其宏观形变不仅可以对表面空气扰动增加空气对流，同时也可以将蒸发表面暴露于低湿度环境以增强表面水蒸气扩散过程。另外，在宏观形变的同时，在组装体内部的纳米颗粒也在进行同步的快速重组，纳米颗粒的微观运动同步促进了锥状结构内部的物质、热量输运过程，增强了水份向上供给和盐分向下运送的过程，起到了高效供水和抗结盐的效果。

　　在该锥状组装体动态蒸发的基础上，作者进一步提出了磁性多级组装结构的动态蒸发体系（图7）。通过合理的体系设计，纳米颗粒可以与宏观磁铁共同组装形成花状结构。由锥状结构组成“花瓣”，吸附纳米颗粒的棒状磁铁组成“花茎”，将蒸发界面提升至三维空间，在动态蒸发过程的辅助下，最高蒸发速率可以达到5.9 kg m-2 h-1。

　　小结：作者利用石墨烯包覆的四氧化三铁纳米颗粒作为组装单元构建了可重构磁性响应组装体系，并利用其在动态磁场下的宏微观同步动态可重构行为，开发了动态太阳能界面水蒸发体系。动态的蒸发过程不仅能够促进蒸发界面周围水蒸气的扩散过程，同时可以增强水份供给和盐分输运的过程，因此相较于静态蒸发过程，蒸发速率可提升20%以上。借助磁性多级组装体的合理设计，bob客户端下载最高蒸发速率可高达5.9 kg m-2 h-1。该工作首次提出了动态蒸发的概念，推动了太阳能界面水蒸发领域在基础科学和体系设计上的进步。