在全球范围内，淡水资源的稀缺性日益凸显，约三分之二人口生活于缺水区域，开发可持续的水资源获取技术具有重要意义。大气水收集技术因其不受地理与水文条件限制而备受关注，其核心在于高性能吸附材料的设计。然而，传统吸湿材料往往面临快速吸附动力学与超高吸水量之间的固有矛盾，成为该领域长期存在的技术瓶颈。

  近日，哈尔滨工业大学冷劲松教授团队在《Advanced Materials》上发表了题为“4D-Printed Dual-Functional Hydrogels Breaking the Trade-Off Between Rapid Kinetics and Ultrahigh Water Uptake for Atmospheric Water Harvesting”的研究论文，博士生俞建勇为论文第一作者，冷劲松教授、谢芳副教授和北京理工大学安盟研究员为论文共同通讯作者。

  论文报道了一种4D打印双功能网络结构的水凝胶复合材料（4D TZG-PPY-LiCl）。研究团队设计了一种由热响应性聚合物聚N-异丙基丙烯酰胺与两性离子聚合物构成的双功能网络水凝胶。其中，两性离子网络通过“盐溶效应”增强材料在盐环境中的溶胀能力，从而扩大水分存储空间；热响应网络则赋予材料亲水-疏水转变特性，实现水分的快速释放。进一步地，通过4D打印构建蜂窝状多级孔结构，显著增加材料与空气的接触界面，缩短水分在内部扩散路径，从而加速吸附动力学。该4D打印双功能水凝胶兼具快速的吸湿速率和超高的吸水量，同时可利用太阳能驱动高效释放水分，为下一代大气集水材料的设计提供了全新思路。

图1 4D TZG-PPY-LiCl水捕获和释放机制示意图。

  通过数字光处理（DLP）技术成功集成了热敏性网络和两性离子网络的4D双功能网络水凝胶。此外通过静电作用将氯化锂锚定在聚合物结构中，并负载聚吡咯赋予其优异的光热转换性能。

图2：(a)通过光聚合反应合成TZG-LiCl的路线。(b) DLP打印技术制备4D TZG的示意图，以及PPY和LiCl的负载过程。(c)PNIPAM、PDMAPS、TZG和TZG-LiCl的FTIR光谱。(d)PNIPAM、PDMAPS和TZG的DSC曲线。(e) 4D TZG-PPY-LiCl的SEM图像。

  两性离子聚合物(PDMAPS)通过盐溶效应显著增强水凝胶的溶胀与盐负载能力，而热敏性聚合物(PNIPAM)受盐析效应响应，其盐负载能力和溶胀性能受到明显抑制。基于两者协同构建的4D TZG双网络水凝胶，在高盐环境中仍能保持热响应特性，这为设计适用于大气水收集的功能材料提供了关键依据。

图3：(a) PNIPAM、PDMAPS和TZG在不同浓度LiCl溶液中的溶胀率。(b) PNIPAM-LiCl和(c) PDMPAS-LiCl体系的分子动力学模拟快。(d) PNIPAM和PDMAPS分子链的回转半径。(e) TZG-LiCl的模拟晶胞快照。(f) 不同原子对包括SPDMAPS-Li+、OPNIPAM-Li+、NPNIPAM-Li+和OPDMAPS-Li+的径向分布函数。

  4D TZG-PPY-LiCl在30%与60%RH下，分别于180分钟与300分钟内达到吸附平衡，吸水量分别为1.62 g/g与3.54 g/g，显著优于块状对照样品。水扩散系数计算表明，4D打印结构材料的传质效率较块体材料提升约58%。在90%高湿环境下，其吸水率高达6.85 g/g，优于已报道的吸附材料。结果表明在30%-90%RH范围内，4D TZG-PPY-LiCl吸湿速率与吸水量均为块体TZG-PPY-LiCl两倍。

图4：(a) PNIPAM-PPY-LiCl、块体TZG-PPY-LiCl和4D TZG-PPY-LiCl在60%RH下以及(c)在90%RH下12小时内的吸附动力学曲线。(b) 块体TZG-PPY-LiCl和4D TZG-PPY-LiCl在60%RH下的Dw值。(d) PNIPAM-PPY-LiCl、块体TZG-PPY-LiCl和4D TZG-PPY-LiCl在30%、45%、60%、75%和90%RH下的吸水量。在90%RH下吸湿12小时后(e)块体TZG-LiCl和(f) 4D TZG-LiCl的照片图像。(g) 4D TZG-PPY、4D TZG-LiCl和4D TZG-PPY-LiCl在30%、60%和90%RH下的吸水量。(h) 4D TZG-PPY-LiCl与其他吸附剂之间水分吸收量的比较。(i) 块体TZG-PPY-LiCl和(j) 4D TZG-PPY-LiCl中水分吸收能力的理论计算。

  在解吸水分方面，材料在一倍太阳光照射下表面温度迅速升高并超过最低临界溶解温度，从而发生亲水-疏水转变与结构收缩协同驱动水分快速释放，30分钟内可脱附95%以上的吸附水。此外，经过300次连续吸脱附循环后，材料仍保持88%的初始吸水容量，表现出良好的循环耐久性。

图5：(a) TZG-LiCl和TZG-PPY-LiCl的UV-Vis-NIR光谱。(b) 4D TZG-PPY-LiCl在不同RH条件下经一太阳照射时表面温度随时间变化以及(c) 红外热成像图像。(d) 4D TZG-PPY-LiCl的水分脱附曲线。(e) 4D TZG-PPY-LiCl的循环性能。(f) 4D TZG-PPY-LiCl水分释放和捕获机制的原理图。

  此外，进一步构建了4D TZG-PPY-LiCl双层大气水收集装置，实现了昼夜连续的吸附-脱附循环运行。户外实测表明，该装置可在自然光照条件下实现多次水收集循环，收集水质符合世界卫生组织饮用水标准，展现出良好的实际应用潜力。

图6：(a) 双层AWH装置的示意图。(b) 双层AWH装置中的集水过程。(c) 4D TZG-PPY-LiCl集水-释放循环的照片。(d)室外环境中太阳辐照度和温度数据。(e)室外实验中收集的水量。(f)通过ICP-OES评估收集水的水质。

  论文得到了中国国家重点研发计划，国家自然科学基金和山东省自然科学基金的支持。

  冷劲松教授团队长期从事于智能材料结构及其应用研究。在航天领域，研制了基于形状记忆聚合物复合材料的可展开铰链、桁架、重力梯度杆、天线、太阳能电池、离轨帆、锁紧释放机构等智能结构 (Chem. Eng. J., 2025, 505, 159558; Compos. Part A-Appl. S.,2024, 190, 108595; Chem. Eng. J., 2024, 489, 150956; Chem. Eng. J., 2023, 457, 141282; Small, 2023, 2307244; Sci. China. Technol. Sc., 2020, 63, 1436–1451; Smart Mater. Struct., 2022, 31, 025021; Compos. Struct., 2022, 280, 114918; Compos. Struct., 2022, 290, 115513)，可应用于各种卫星平台、空间站、探月工程、深空探测工程等。设计制备了构型、力学性能可调节、可重构的拉胀力学超材料和像素力学超材料 (Adv. Funct. Mater., 2024, 34, 2408887; Adv. Funct. Mater., 2023, 34, 2316181; Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2107795)。在生物领域，基于形状记忆聚合物等智能材料开发了多种智能生物支架和人工假体 (Adv. Funct. Mater., 2024, 34, 2402592; Adv. Funct. Mater. 2023, 34, 2312036; Adv. Fiber Mater., 2023, 5, 632-649; Research, 2023, 6, 0234; Biomaterials, 2022, 291, 121886; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, 14, 42568-42577)。冷劲松教授团队自主设计并研制的基于形状记忆聚合物的中国国旗锁紧展开机构，于2021年5月在天问一号上成功展开，使我国成为世界上首个将基于形状记忆聚合物复合材料的智能结构应用于深空探测工程的国家 (Smart Mater. Struct., 2022, 31, 115008.)。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202516698.