封面故事|港城大吕坚院士团队《Advanced Materials》：仿生海星结构水凝胶！

近日，一项聚焦太阳能驱动空气取水的新成果登上国际顶级期刊《Advanced Materials》封面。港城大吕坚院士/华南理工大学綦戎辉教授团队受海星呼吸结构启发，提出了一种基于极小曲面（TPMS）结构的缠结水凝胶网（TSEHs），为高效、持续的空气取水提供了全新思路。

大气水收集（AWH）正逐渐成为一种可持续的淡水生产策略。然而，由于吸附动力学缓慢，尤其是在厚吸湿性水凝胶的情况下，实现快速大气水收集仍然面临挑战。港城大吕坚院士/华南理工大学綦戎辉教授合作，利用3D打印技术，模仿海星骨架的多孔结构，制备了一种基于极小曲面（TPMS）结构的缠结水凝胶网（TSEHs），其具有分级多孔结构，有利于提高传质系数并形成显著的空气-吸湿位点界面，这种基于TPMS的分级结构赋予了TSEHs快速的吸附-解吸动力学。

空气中蕴藏着巨量淡水资源，但如何快速、稳定地把这些水“抓住”并释放出来，一直是该领域的关键难题。传统吸湿水凝胶虽然储水能力强，却常常因为内部结构致密、传质路径过长，导致“吸得慢、放得也慢”，尤其在厚尺寸条件下性能下降明显。针对这一瓶颈，研究团队通过3D打印结合冷冻成胶技术，构建出具有毫米级通道、微米级缝隙、亚微米孔隙和分子缠结网络的多级孔结构，大幅降低水汽传输阻力。

图1. “仿生海星孔工程”以增强AWH性能。 (a) 海星的光学图像。 (b) 胞状聚集体的放大图像。所选胞状区域在(a)中标记。 (c-d) 胞状及海星骨骼的扫描电镜图像。 (e) TSEHs的示意图。 CDHs和TSEHs的吸附时间(f)和水释放性能（在1个阳光下，30分钟）(g)的比较。 (h) CDHs和TSEHs的水吸收时间的厚度相关性。该孔工程水凝胶显著提高了空气取水表现，具有在催化、力学等方面应用拓展潜能。

图2. TSEHs的多尺度表征。TSEHs表现出明显的多级孔结构，显著增加了空气-吸湿位点的表面积并降低蒸汽在凝胶内部的传质阻力，提高了AWH的表现

图3. (a-c) TSEHs在机制上表现出相较CHDs和无多级孔结构的TPMSs显著增强的空气取水效率和传质能力; (d-f) 该工作制备的超厚水凝胶吸湿结构在不同厚度下均表现出了优异的空气取水性能。

实验结果显示，与传统致密水凝胶相比，这种仿生结构将吸附时间显著缩短，在4 mm厚度下吸水速度提升约3.85倍；即使厚度增加到12 mm，其吸湿性能仍然保持优异。更令人瞩目的是，团队展示了50 mm超厚吸湿凝胶的快速吸水能力，这在现有报道中处于领先水平。与此同时，该材料在1个太阳光照射下可快速升温并高效释水，连续集水原型装置实现了4.89 kg m-2的产水速率，展现出良好的实际应用潜力。

图4. 脱附性能与空气取水器件设计。团队同时设计了周期性旋转的空气取水器件，实现了在一个太阳光下的高效产水。

这项工作不仅为生物启发材料设计和高效空气取水技术提供了新范式，也为面向缺水地区的低能耗淡水获取方案打开了新的可能。未来，该策略还有望与建筑表皮、光伏系统等场景进一步融合，为缓解水资源与能源双重压力提供创新路径。

毛正义、于翰洋、于桢为本文共同第一作者，其他作者还包括唐志贤、李堃玮、Amr Osman、沈君达、张磊、汤思晗、段晓光。

文献链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202515166

通讯作者简介：

吕坚，法国国家技术科学院院士，美国国家发明家科学院（NAI）院士，香港工程院院士，香港城市大学工学院院长、讲席教授，先进结构材料研究中心主任。香港材料研究会（HK-MRS）理事长，香港力学学会前理事长。在Nature（封面文章）、Science、Nature Materials、Nature Chemistry、Nature Water、Nature Communications、Science Advances、PNAS、Advanced Materials、Materials Today、PRL、JACS等杂志上发表论文650余篇，引用5万6千余次，H Index=108，2025年“科睿唯安”全球高被引科学家，91项欧、美（53项）、中发明专利获授权。北京科技大学、东北大学、西安交大等大学名誉教授，上海交大、西北工业大学、西南交通大学顾问教授。2018年获中国工程院光华工程科技奖。个人主页：https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian

綦戎辉，华南理工大学化工学院教授、博士生导师，热质传递与低碳转化(原传热强化与过程节能)教育部重点实验室副主任，长期致力于电解质膜传热传质、电化学-多物理场耦合建模、湿度发电及吸湿材料开发等相关研究，曾获国家自然科学基金青年B类基金及广东省杰出青年基金。主持、参与国家、省部级项目十余项。以第一/通讯作者发表SCI论文60余篇，授权发明专利12项。应邀做国内外学术会议特邀报告20余次（其中大会报告2次）。任SCI期刊 Building Simulation、Energy and AI、International Journal of Green Energy编委、Fundamental research 青年编委。个人主页：https://www2.scut.edu.cn/ce/2017/1023/c2421a224383/page.htm。