面对全球淡水短缺与能源危机的双重挑战，“水-能源协同”已成为可持续发展前沿。传统太阳能界面蒸发器在收集淡水时，大量低品位热能未被利用；而现有“水电联产”方案多将蒸发器与商用热电模块简单堆叠，界面热阻大、热耦合效率低，且结构笨重，难以适配柔性、轻量化的实际场景。如何在不外挂模块的前提下，让蒸发与发电在结构内部真正耦合，成为该领域亟待突破的瓶颈。

图1：仿生莲花结构设计及水电联产示意图

  针对这一痛点，研究团队提出一种颠覆性的结构一体化设计策略：受花朵开放形态启发，首次将铜-康铜双金属线作为内嵌骨架，直接包覆于天然苎麻纱线内部，并在外层依次涂覆海藻酸盐水凝胶（强化亲水输运）和聚合聚苯胺（实现高效光热转化）。如图1所示，这一设计赋予单根纱线结构支撑、光热转化、温差发电三大功能，在单纱尺度上实现了热电发生器与蒸发器的深层耦合，为突破传统外挂式热电模块的集成模式提供了新思路。

  相关成果以“Integrated Multi-Yarn Synergistic Light-Trapping Cone Evaporator for Efficient Steam and Wire-Structured Thermoelectric Cogeneration”为题发表于Cell子刊《Matter》期刊。

图2：纱线形貌与光谱表征

制备与表征：光谱吸收与芯吸性能

  如图2所示，改性后纱线表面形成微纳粗糙纹理，全光谱吸光度由未处理的不足60%跃升至90%以上；同时，海藻酸钠水凝胶膜构建了高效毛细通道，20秒内芯吸高度达3.2 cm，较原始纱线提升4 mm，为持续供水提供了保障。

图3：单纱热电性能及循环稳定性

温差发电：Seebeck响应与循环稳定性

  如图3所示，单根纱线两端温差为10、15、20 ℃时，可分别输出0.22、0.37、0.50 mV电压，呈现优异的线性塞贝克响应。导线缠绕长度、捻度等制备参数对输出电压影响极小，多次循环测试性能无衰减，体现出良好的工业可放大性。这一内嵌式热电结构无需额外模块，即可在蒸发过程中实时捕获热能，为低功耗传感或信号传输提供可能。

图4：光热性能优化与模拟

仿生锥形集光陷阱：刚性骨架破解“湿态软塌”难题

  如图4所示，利用金属线芯的刚性支撑，团队将48根功能纱线精准排布成固定90°锥形结构，彻底克服了传统纺织蒸发器“遇水即软塌”的致命缺陷——原始苎麻纱湿态下弯曲角可达45°，而复合纱线在干、湿状态下均保持绝对挺直。该锥形构型形成高效光陷阱，通过限制入射光在凹槽内的多次漫反射，射线追踪模拟证实锥底区域等效光强达1.8倍。在1个太阳光强照射下，90°锥角的核心光热区平衡温度达62 ℃，与理想实心锥模型高度吻合，干态输出电压高达38 mV。如图5所示，湿态淡化运行中，系统双面蒸发速率达1.77 kg m^-2 h^-1，整体蒸发效率高达98%（远超未改性纱线的约50%），同时稳定输出17 mV以上电压。

图5：水电联产性能与结构稳定性对比

“边缘牺牲”抗盐机制：极端高盐环境下仍稳定运行

  盐结晶是太阳能蒸发器走向实际应用的最大障碍。本系统之所以能在高盐下稳定运行，源于毛细作用、热驱动马兰戈尼流与溶质驱动马兰戈尼流的相互耦合：盐离子被源源不断向边缘“驱赶”，形成巧妙的“边缘牺牲区”，从而保护核心蒸发与发电区域。如图6所示，在3.5 wt.% NaCl模拟海水中连续照射10小时，表面无任何盐结晶；即使在高达21 wt.%的极端浓盐水中运行10小时，盐晶也仅局限于外围边缘，而中心光热区始终保持清洁，输出电压稳定在约17 mV。DFT 计算进一步表明，离子水合层显著削弱了钠离子在纤维素纤维表面的吸附倾向，使盐离子更易随水流迁移而非沉积，从微观层面佐证了蒸发器的自脱盐能力。

  在天津夏季户外实际测试中（8:00?18:00，自然光强波动0.4?1.06 sun，环境温度27?33 ℃），系统日产淡水达10.41 kg m^-2，峰值输出电压17.45 mV。净化后水中四种主要离子（Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺）浓度均降至10 mg L?1以下，完全满足世卫组织饮用水标准。经过一周连续运行，蒸发速率与电压输出保持高度稳定，表面涂层及导电芯线无腐蚀脱落，展现出良好的长期耐久性。

图6：抗盐结晶动态机制及户外验证

  总结与展望：本工作首次突破了“蒸发器+热电模块”的传统堆叠模式，在单根纱线内实现了热电发生器与太阳能蒸发器的深层耦合，兼具结构一体化、自脱盐、材料精简和灵活可扩展等优势。未来，该纱线级能量转换平台有望进一步拓展至人体微环境能量收集领域，通过利用皮肤表面汗液蒸发及局部温湿度梯度，实现人体微环境中低品位能量的持续捕获与转换，为柔性可穿戴传感器、自供能智能纺织品及个性化健康监测设备的发展提供新的技术路径。

  论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2590238526004236