淡水短缺已经成为制约全球可持续发展的重要难题。太阳能驱动界面蒸发技术，依靠光热材料将太阳能转化为界面局部热量，是低成本获取淡水的极具前景的技术路线。纤维基织物材料凭借比表面积大、柔韧性好、易于规模化制备等优势被广泛用于太阳能蒸发器件。但传统二维平面织物受固有几何结构限制，蒸发面积有限、蒸汽扩散受阻，蒸发效率受限，还极易出现盐结晶堆积，制约实际应用。

  最近，南京工业大学朱亮亮教授团队联合新疆大学夏鑫教授团队，利用微流控技术，直接从纤维本征层面构筑具有原生三维结构的弹性光热螺旋凝胶微纤维，实现光捕获、热局域化、水输运的空间协同调控.

  2026年9月10日，相关成果以“Microfluidic-Enabled Elastic Photothermal Helical Gel Microfibers for High-Efficiency Solar Evaporation with Spatially Regulated Light-Thermal-Water Management”为题发表于Advanced Materials期刊上。文章第一作者为南京工业大学化工学院2023级硕士研究生欧嘉悦，通讯作者为南京工业大学化工学院，材料化学工程全国重点实验室朱亮亮教授、新疆大学纺织学院夏鑫教授。

示意图. (a) 直形微纤维和 (b) 螺旋形微纤维的示意图。(c) 具有空间调节式光、热、水传输功能的螺旋形微纤维蒸发器的示意图。

  不同于将平直纤维织物二次弯折、卷曲得到的伪三维结构，该研究利用微流控纺丝结合流体绳卷效应，一步原位生成具备连续中心空腔的螺旋凝胶微纤维。以海藻酸钠（SA）、羟乙基丙烯酰胺（HEA）、聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）构建凝胶基体，引入多壁碳纳米管（MWCNTs）赋予材料优异光热性能。通过调控内外相流体流速，可精准调节螺旋微纤维的螺距、纤维直径；单喷头制备速率可达14.7?m/h，多喷头并行可进一步放大产能。力学测试表明，螺旋结构带来独特的可逆盘绕-解卷机制，纤维断裂应变可达 78%，约为平直微纤维的5倍，具备优异弹性、可弯曲、可扭曲，能够适配方形、圆形、六边形多种异形基底，动态弯折下依旧保持结构完整。

图1. (a) 微流体技术制备螺旋状微纤维合成示意图；(b) 螺旋结构形成的机制。 (c)-(d) 螺旋状微纤维的照片。 (e) 螺旋结构的螺距随内外相注入速率不同的变化值； (f)-(g) 不同螺距螺旋纤维照片。 (h) 直形与螺旋状微纤维的拉伸应力。 (i) 拉伸后恢复状态的螺旋状微纤维的照片。(j) 螺旋状微纤维围绕不同模具或手指排列的情况下的照片。比例尺：1厘米。

  螺旋的空腔与多孔内部结构赋予材料超亲水特性，实现高效可控的毛细输水。研究人员发现，螺距直接决定织物等效孔隙、渗透率与水输运能力，1.0?mm螺距的螺旋微纤维综合输水性能最优。凝胶网络内部大量中间水（IW）削弱水分子间氢键，将等效蒸发焓降至1828.3?J?g^?1，降低蒸发能耗。得益于螺旋三维曲面带来的多重光反射散射，材料 350-2000?nm波段光吸收可达92%，螺旋迂回导热路径有效抑制热量向本体水体耗散，实现高效热局域。

图2. (a) SA和SHP的ATR-FTIR光谱图。(b) SHP螺旋微纤维的表面结构；(c) SHP螺旋微纤维的截面SEM图像。(d) SHP螺旋微纤维纺织品的接触角测量结果。(e) 当螺旋微纤维的螺距小于0.2毫米时，水沿单根螺旋微纤维向上流动的现象。(f) 螺旋微纤维倾斜表面上的毛细管驱动液体流动现象。(g) 液体在固体壁与超亲水水膜界面之间的环形空间中的流动情况。(h) 亲水织物中毛细管上升的高度。(i) 利用Kozeny–Carman方程计算出的纺织品渗透性，作为流速的函数。(j) 毛细管上升速率；(k) 被输送的液体质量及上升高度；(l) 不同螺距的螺旋微纤维纺织品以及直纤维纺织品中溶液流动的照片。

图3. (a) 光热螺旋纤维制备示意图。(b) 螺旋状微纤维织物的照片。(c) SHP-MWCNTs螺旋状微纤维的扫描电子显微镜图像。(d) SHP-MWCNTs与SHP微纤维的紫外-可见光-NIR光谱。(e) 螺旋状与直形微纤维中光反射与散射的示意图。(f) SHP、SHP-MWCNTs螺旋状及直形微纤维织物的表面温度变化情况。(g) 在1个太阳照度下，SHP-MWCNTs螺旋状及直形微纤维织物的红外热图像。(h) 螺旋状微纤维织物蒸发装置及蒸汽生成的示意图。(i) 不同螺距的螺旋状微纤维蒸发器与直形微纤维蒸发器的蒸发速率。(j) 螺旋状微纤维蒸发器与其他基于纤维的蒸发器的性能比较。(k) SHP-MWCNTs微纤维的拉曼光谱。

  在1个太阳光强（1000?W?m^?2）条件下，最优螺旋微纤维蒸发器蒸发速率可达3.65 ?kg m^?2 h^?1螺旋结构大量气-液界面强化马兰戈尼对流，盐离子可以快速回流至本体水中，表现出突出抗盐能力。在3.5 wt% NaCl盐水中连续运行9 h蒸发速率维持3.5 kg m^?2 h^?1；即便面对20? wt%浓度盐水依旧可以稳定工作。该器件还可处理强酸、强碱、染料污染水体，产出的冷凝水离子浓度远低于世界卫生组织饮用水标准。

图4. (a) SHP-MWCNTs中水的分子状态示意图。 (b) SHP-MWCNTs、SA-MWCNTs以及普通水的DSC曲线。 (c) SHP-MWCNTs与SA-MWCNTs相比的等效蒸发焓降低情况。 (d) 螺旋状微纤维蒸发器中局部蒸发过程的示意图。 (e-f) COMSOL软件模拟得到的直形微纤维蒸发器与螺旋状微纤维蒸发器中的热管理情况。 (g) 在0秒、120秒、300秒和600秒时，螺旋状微纤维蒸发器中的蒸汽扩散过程。

图5. (a) 在3.5wt% NaCl盐水中，螺旋形与直形微纤维蒸发器在9小时内的蒸发速率。 (b) 螺旋形与直形微纤维蒸发器的自清洁过程照片。 (c) 螺旋形微纤维蒸发器中盐类去除机制的示意图。 (d) 直形微纤维蒸发器与(e) 螺旋形微纤维蒸发器中盐沉积情况的COMSOL模拟结果。 (f) 室外太阳能脱盐设备的照片。 (g) 室外太阳能强度、环境温度以及水质量的变化情况。 (h) 模拟海水中金属离子浓度在净化前后的变化情况。 (i) 在pH=0、pH=13.82、AY和RhB溶液中，系统的蒸发速率。 (j) 酸性/碱性水经过处理前后的pH指示条照片。 (k) RhB溶液与(l) AY溶液在净化前后的紫外-可见光谱，图中还有相应的溶液照片。

  得益于出色的结构可调节性，该螺旋微纤维织物可适配追光蒸发系统。大角度弯折条件下，毛细管输水通路不会被破坏，蒸发性能衰减极小。南京户外实地测试，在约950?W m^?2 太阳光辐照条件下，追光模式下的螺旋微纤维蒸发器实现8.57 kg m^?2 h^?1的高蒸发速率，相比静态平面器件性能提升137%，相比追光平直纤维蒸发器提升67%，多日户外循环测试验证运行稳定性。

图6. (a) 用于光追踪式蒸发的螺旋形与直形微纤维蒸发器的示意图。 (b) 自然状态下螺旋形与直形微纤维蒸发器不同弯曲角度下的照片。 (c) 不同弯曲角度下水的流动情况：直形微纤维在15°和30°角度下，螺旋形微纤维在15°、30°、60°和90°角度下。 (d) 螺旋形微纤维蒸发器在15°、30°、60°和90°弯曲角度下的蒸发速率。 (e) 直形纤维蒸发器在15°和30°弯曲角度下的蒸发速率，其中阴影部分表示垂直方向。 (f) 光追踪式与静态平面蒸发器之间的蒸发面积比较。 (g) 户外测试期间，静态平面螺旋形、光追踪式螺旋形及直形微纤维蒸发器的太阳辐照度、环境温度及蒸发速率。 (h) 用于淡水供应的螺旋形纤维蒸发器的原理示意图。

  该成果摆脱传统织物“后形变”的设计思路，在单根纤维层面直接构筑本征三维螺旋结构，完成光-热-水多过程空间协同调控，为织物材料在可持续能源与环境领域开辟全新的结构设计范式。

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.74963