从大气中捕获水蒸气在大自然和工业应用中都很常见。在自然界中，捕获水分的能力决定了生物组织和细胞的水分是否充足。在工业上，基于水蒸气吸附的技术在除湿、储能、被动制冷和淡水生产等方面都有广阔应用前景。

  然而吸附材料普遍受到热力学限制，存在一个问题：水蒸气倾向于在低温时吸附在材料上；而在较高的温度下，绝大多数材料都会丧失捕获水分的能力。因此，无论是对于常见的硅胶干燥剂，还是更为先进的纳米固态吸附材料以及高分子水凝胶材料来说，如何在高温环境下捕获水蒸气都是理论研究和实际应用中的一个难点。

  针对上述挑战，麻省理工学院刘心悦，Lenan Zhang，Evelyn Wang与密歇根州立大学林少挺等人首次发现聚乙二醇（PEG）水凝胶材料能够从较高温度的空气中捕获水蒸气。研究人员指出，在50%的相对湿度下，当温度从25°C升高到50°C时，PEG水凝胶所捕获的水蒸气质量能够增加一倍。这项工作发现了一种具有反常温度依赖性的吸水材料，揭示了一种新的吸水机理。这种独特材料特性和吸水机理有望进一步拓展水蒸气吸附技术的应用空间，实现对热量-水资源利用和转化的高效调控。

技术方案和成果

  1.分析了PEG水凝胶的吸水性能和温度影响。研究团队测试并比较了两种水凝胶：无定形的聚丙烯酰胺水凝胶（amorphous PAAm hydrogel）以及半结晶的聚乙二醇水凝胶（semi-crystalline PEG hydrogel）在不同温度下的水蒸气吸附量，从而发现了PEG水凝胶在吸水时所表现出的独特的反常温度依赖性。

  2. 表征了PEG水凝胶的结晶态-无定形态的相变。研究团队运用多种微纳测试方法，表征了在熔点附近PEG水凝胶结构形态、热学、力学和光学特征的巨大转变，进而分析出PEG水凝胶在不同温度和湿度条件下的相变过程。综合上述分析与测试结果，研究团队指出PEG水凝胶独特的吸水性能源于其内部构成水凝胶的高分子链在高温下所产生的相变。

  3. 建立了水凝胶吸水的热力学模型。研究团队基于水凝胶吸水过程中高分子网络的变化以及高分子链和水分子的相互作用，建立了水凝胶空气取水的热力学模型。通过该理论模型，计算出在不同湿度和温度下，PEG和PAAm两种不同水凝胶中水蒸气吸附量。这项理论分析得到了大量实验数据的支撑。基于此理论模型，研究团队定量分析了水蒸气吸附焓、高分子熔点和结晶度等参数对水凝胶空气取水的影响。

反常的吸水趋势

图1：吸水材料的温度依赖性

升温导致的水凝胶相变

图2：PEG水凝胶中高分子链的结晶态-无定形态转变

水凝胶空气取水的理论模型

图3：无定形态(PAAm)和半结晶态(PEG)水凝胶的理论实验数据

  原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202211763

博后/博士招聘

美国密歇根州立大学化工材料系刘心悦课题组招聘博后/博士1人。

招聘方向

包括但不限于

·生物材料和器件（有动物实验经验优先）

·高分子材料的合成或加工（有化学合成或3D打印经验优先）

·热能工程

·软物质力学

欢迎感兴趣的同学发送简历和邮件至liuxin58@msu.edu。

学校简介

密歇根州立大学（Michigan State University, MSU），坐落于密歇根州东兰辛市，是一所世界一流的公立研究型大学。密歇根州立大学是美国大学协会成员（AAU），十大联盟成员（Big Ten），被誉为“公立常春藤”。密歇根州立大学拥有超过30位美国科学院、工程院、教育学院院士，2名诺贝尔奖得主。密歇根州立2022 Best Global Universities世界排名第108名（美国排名第46名），2022 Times Higher Education World University Rankings世界排名第93名（美国排名第35名），2022 QS World University Rankings世界排名第157名（美国排名第37名）。US News 密歇根州立材料工程专业排名第47名。

导师简介

刘心悦将于2023年8月加入MSU化工材料系担任助理教授。2021年获MIT机械工程博士学位，2022年至2023年于MIT Device Research Lab从事博士后研究。她在水凝胶、活性材料等方向上的有一系列代表性和高影响力的工作，先后在Nature Chemical Biology、Nature Communications、PNAS、Advanced Materials、Materials Today等期刊发表学术论文，论文总引用次数超过3700。获得过Forbes U30, Mechanical Engineering Rising Stars, MRS Graduate Student Awards 等奖项。

课题组介绍

课题组未来将着眼于

·软材料在能源方面的应用。包括热能储存和转换，空气取水，清洁能源（太阳能，生物质能）等

·软材料在健康方面的应用。包括生物传感器，药物释放等。