即使温度升高这种水凝胶材料也会不断吸收水分

随着温度升高，绝大多数吸水材料将失去保水能力。这就是我们的皮肤开始出汗以及植物在高温下变干的原因。即使是设计用于吸收水分的材料，例如消费品包装中的硅胶包装，也会随着环境温度升高而失去其海绵状特性。

但是有一种材料似乎可以独特地抵抗热的干燥作用。麻省理工学院的工程师现已发现，聚乙二醇 (PEG)——一种常用于化妆品面霜、工业涂料和药物胶囊的水凝胶——即使在温度升高时也能吸收大气中的水分。

该团队报告说，当温度从 25 摄氏度上升到 50 摄氏度(77 到 122 华氏度)时，这种材料的吸水率会翻倍。

PEG 的弹性源于热触发转变。随着周围环境的升温，水凝胶的微观结构从晶体转变为组织较少的“无定形”相，从而增强了材料捕获水的能力。

基于 PEG 的独特特性，该团队开发了一种模型，可用于设计其他耐热吸水材料。该小组设想，有朝一日可以将这些材料制成从空气中收集水分以获取饮用水的装置，尤其是在干旱的沙漠地区。这些材料还可以用于热泵和空调中，以更有效地调节温度和湿度。

“建筑物中大量的能源消耗用于热调节，”麻省理工学院机械工程系的研究科学家 Lenan Zhang 说。“这种材料可能是被动气候控制系统的关键组成部分。”

张和他的同事在今天发表在Advanced Materials上的一项研究中详细介绍了他们的工作 。麻省理工学院的合著者包括 Xinyue Liu、Bachir El Fil、Carlos Diaz-Marin、Yang Zhong、Xiangyu Li 和 Evelyn Wang，以及密歇根州立大学的 Shaoting Lin。

违背直觉

麻省理工学院设备研究实验室的 Evelyn Wang 小组旨在通过设计可持续管理水和热的新材料和设备来应对能源和水的挑战。该团队在评估大量类似水凝胶的集水能力时发现了 PEG 的不寻常特性。

“我们一直在寻找一种可以为不同应用捕获水的高性能材料，”张说。“水凝胶是一个完美的候选者，因为它们主要由水和聚合物网络组成。它们在吸水时可以同时膨胀，因此非常适合调节湿度和水蒸气。”

该团队分析了多种水凝胶，包括 PEG，方法是将每种材料放置在气候控制室内设定的刻度上。当材料吸收更多水分时，它会变得更重。通过记录材料重量的变化，研究人员可以在调节腔室的温度和湿度时跟踪其吸收水分的能力。

他们观察到的是大多数材料的典型情况：随着温度升高，水凝胶从空气中捕获水分的能力下降。这种温度依赖性的原因很容易理解：热量伴随着运动，在更高的温度下，水分子移动得更快，因此更难包含在大多数材料中。

“我们的直觉告诉我们，在更高的温度下，材料往往会失去捕捉水的能力，”共同作者 Xinyue Liu 说。“因此，我们对 PEG 感到非常惊讶，因为它具有这种反向关系。”

事实上，他们发现当研究人员将腔室的温度从 25 摄氏度提高到 50 摄氏度时，PEG 变得更重并继续吸水。

“起初，我们认为我们测量出了一些错误，并认为这不可能，”刘说。“在我们仔细检查实验中的一切都是正确的之后，我们意识到这确实发生了，这是唯一一种显示出随着温度升高而增加吸水能力的已知材料。”

幸运的收获

该小组将注意力集中在 PEG 上，试图找出其不寻常的耐热性能的原因。他们发现该材料的自然熔点约为 50 摄氏度，这意味着水凝胶通常的晶体状微观结构会完全分解并转变成无定形相。张说，这种熔化的无定形相为材料中的聚合物提供了更多机会来抓住任何快速移动的水分子。

“在晶相中，聚合物上可能只有少数几个位点可以吸引水并结合，”张说。“但在无定形阶段，你可能有更多可用的站点。因此，整体性能会随着温度的升高而提高。”

该团队随后开发了一个理论来预测水凝胶如何吸水，并表明如果研究人员在理论中添加一个“缺失项”，该理论也可以解释 PEG 的异常行为。那个缺失的术语是相变的影响。他们发现，当他们考虑到这种效应时，该理论可以预测 PEG 的行为以及其他限温水凝胶的行为。

PEG 独特性质的发现在很大程度上是偶然的。该材料的熔化温度恰好在水呈液态的范围内，使他们能够捕捉到 PEG 的相变及其产生的超浸泡行为。其他水凝胶恰好具有超出此范围的熔化温度。但研究人员怀疑，一旦这些材料达到其熔化温度，它们也能够进行类似的相变。

“如果我们能够在选定的温度范围内设计它们的熔点，其他聚合物在理论上也可以表现出同样的行为，”团队成员 Shaoting Lin 说。

现在该小组已经制定了一个理论，他们计划将其作为蓝图来设计专门用于在更高温度下捕获水的材料。

“我们希望定制我们的设计，以确保材料能够在低湿度和高温下吸收相对大量的水，”刘说。“然后它可以用于收集大气中的水，为炎热干旱环境中的人们提供饮用水。”