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出品：科普中國

作者：石暢（物理化學博士）

監製：中國科普博覽

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在科技飛速發展的今天，水果和蔬菜似乎已經擺脫了季節的限製，西瓜不再是夏季的專(zhuan) 屬，白菜也不再霸占冬季蔬菜榜的首位。當新鮮的蔬菜和水果端上我們(men) 餐桌的時候，我們(men) 是否注意到在這份“美食”的背後，存在著一個(ge) “生態王國”——溫室大棚。

溫室種植

溫室大棚，作為(wei) 農(nong) 業(ye) 科技的重要成果，不僅(jin) 打破了季節與(yu) 地域的限製，讓食物的供應更加穩定與(yu) 多樣化，還極大地豐(feng) 富了我們(men) 的飲食文化。然而，隨著溫室大棚數量的不斷增加，一個(ge) 不容忽視的問題也浮現出來，那就是水資源的浪費。

據統計，溫室農(nong) 業(ye) 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(nong) 作物根係需求的同時，也通過土壤蒸發和植物蒸騰作用悄悄地流失，對地球寶貴的水資源造成了巨大浪費，同時也是農(nong) 業(ye) 可持續發展道路上的一道難題。

水凝膠：一種神奇的吸水材料

在生活中小朋友經常會(hui) 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”放在水裏浸泡一會(hui) 兒(er) ，便會(hui) 發生膨脹，就像“生長”了一樣。五顏六色的Q彈小球讓人們(men) 忍不住去捏一下，但是你知道這種Q彈的水寶寶是怎麽(me) 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狀結構的高分子材料，能夠在水中迅速溶脹並保存大量的水而自身不溶解。

水凝膠根據材料的來源可以分為(wei) 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(wei) 主體(ti) 製備而成，如明膠、殼聚糖、海藻酸鈉、膠原蛋白、透明質酸等。這些材料大多來源於(yu) 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。這類水凝膠具有結構可控性好、重複性好以及機械性能優(you) 異的特點。

具有吸水特性的水凝膠是否可以用於(yu) 溫室大棚的水管理呢？

2024年7月10日，中國科學家在《自然-水》（Nature Water）雜誌上發表了一篇關(guan) 於(yu) 太陽能驅動的吸濕水凝膠的文章，該水凝膠可實現水的快速吸收和釋放，應用於(yu) 溫室種植可實現植物蒸騰和土壤蒸發水的被動回收，具有節能和節水的效果。

研究成果發表於(yu) 《Nature Water》雜誌

（圖片來源：《自然-水》雜誌）

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(wei) 原料，通過“交聯-冷凍幹燥”的工藝製備了多孔的水凝膠材料（TCP-Li）。交聯反應是一種重要的化學反應，是指兩(liang) 個(ge) 或多個(ge) 分子相互鍵合交聯成網絡結構的反應。這種反應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換材料，可以將吸收的光能轉化為(wei) 熱能。

凝膠多糖在水溶液中經過加熱可以形成凝膠的狀態。聚丙烯酸鈉是一種高吸水性聚合物，在水凝膠材料中發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。

水凝膠的製備過程；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）

研究者對製備的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%的相對濕度環境中，每克水凝膠材料的吸水量分別為(wei) 2.8和3.38克。

水凝膠材料要想實現水循環，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境中對水凝膠材料的水分釋放能力進行了測試。

實驗結果表明，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分鍾內(nei) 釋放95%的水分。與(yu) 此同時，該材料還具有高的使用壽命，在完成15個(ge) 水分子吸收和釋放實驗後，吸濕容量的衰減值低於(yu) 3%。

水回收裝置TEAD的結構示意圖；b. TEDA吸附-解吸過程中的傳(chuan) 熱、

傳(chuan) 質分析；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後，研究者還利用該材料製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產(chan) 生的水蒸汽，並且在白天太陽光作用下釋放水分用於(yu) 農(nong) 作物的灌溉。實驗結果顯示，TEAD水回收裝置每天可從(cong) 每株植物收集87.1克水，每平方米可回收1890.6克水，實現了44.9%的節水效果，大大降低了灌溉水的浪費。

水凝膠的其他用途

護膚領域，水凝膠可以做成麵膜，起到緊密貼合肌膚，有效鎖住並釋放水分的作用，為(wei) 肌膚提供長時間的深層滋養(yang) ，幫助肌膚恢複水潤光澤。

環保領域，水凝膠也被用來開發各種高效的水處理材料。它們(men) 能夠吸附並去除水中的重金屬離子、有機汙染物等有害物質，有效淨化水質，保障人們(men) 的飲用水安全。

水處理

智能材料領域，水凝膠以其對水獨特的響應能力，被廣泛應用在智能材料領域。例如，刺激響應水凝膠可以根據外部環境的變化（如溫度、濕度等）發生形變或產(chan) 生電信號，為(wei) 智能穿戴設備提供新的功能和交互模式。

結語

太陽能驅動水凝膠的誕生，不僅(jin) 是對傳(chuan) 統溫室大棚的一次重大突破，更是對農(nong) 業(ye) 可持續發展理念的踐行。它讓我們(men) 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，創造出更加綠色、環保、高效的生產(chan) 模式。我們(men) 期待這種高科技材料在農(nong) 業(ye) 生產(chan) 中的應用，為(wei) 節約水資源和農(nong) 業(ye) 的高科技發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.溫室大棚灌溉技術的探討[J].節水灌溉, 2007.

4.翟茂林,哈鴻飛.水凝膠的合成、性質及應用[J].大學化學, 2001.

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