太阳能水凝胶：温室种植的“水循环大师”

出品：科普中国

作者：石畅（物理化学博士）

监制：中国科普博览

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在科技飞速发展的今天，水果和蔬菜似乎已经摆脱了季节的限制，西瓜不再是夏季的专属，白菜也不再霸占冬季蔬菜榜的首位。当新鲜的蔬菜和水果端上我们餐桌的时候，我们是否注意到在这份“美食”的背后，存在着一个“生态王国”——温室大棚。

温室种植

（图片来源：veer图库）

温室大棚，作为农业科技的重要成果，不仅打破了季节与地域的限制，让食物的供应更加稳定与多样化，还极大地丰富了我们的饮食文化。然而，随着温室大棚数量的不断增加，一个不容忽视的问题也浮现出来，那就是水资源的浪费。

据统计，温室农业用水在人类用水中占有的比例超过50%，温室的灌溉水在满足农作物根系需求的同时，也通过土壤蒸发和植物蒸腾作用悄悄地流失，对地球宝贵的水资源造成了巨大浪费，同时也是农业可持续发展道路上的一道难题。

水凝胶：一种神奇的吸水材料

在生活中小朋友经常会玩到一种吸水变大的玩具“水宝宝”。这是一种小颗粒、球状的玩具，将“水宝宝”放在水里浸泡一会儿，便会发生膨胀，就像“生长”了一样。五颜六色的Q弹小球让人们忍不住去捏一下，但是你知道这种Q弹的水宝宝是怎么来的吗？

五颜六色的“水宝宝”

（图片来源：veer图库）

这种可以吸水的材料叫做水凝胶，是一种具有特殊三维网状结构的高分子材料，能够在水中迅速溶胀并保存大量的水而自身不溶解。

水凝胶根据材料的来源可以分为天然水凝胶和合成水凝胶。

天然高分子水凝胶：以天然高分子材料为主体制备而成，如明胶、壳聚糖、海藻酸钠、胶原蛋白、透明质酸等。这些材料大多来源于动物组织或海洋生物，因此具有生物相容性良好和可降解的特点。

合成高分子水凝胶：由合成材料通过聚合反应得到的高聚物，如聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚丙烯酸、聚乙烯醇等。这类水凝胶具有结构可控性好、重复性好以及机械性能优异的特点。

具有吸水特性的水凝胶是否可以用于温室大棚的水管理呢？

2024年7月10日，中国科学家在《自然-水》（Nature Water）杂志上发表了一篇关于太阳能驱动的吸湿水凝胶的文章，该水凝胶可实现水的快速吸收和释放，应用于温室种植可实现植物蒸腾和土壤蒸发水的被动回收，具有节能和节水的效果。

研究成果发表于《Nature Water》杂志

（图片来源：《自然-水》杂志）

研究者以氮化钛（TiN）、凝胶多糖（CUR）、聚丙烯酸钠（PAAS）和氯化锂（LiCl）为原料，通过“交联-冷冻干燥”的工艺制备了多孔的水凝胶材料（TCP-Li）。交联反应是一种重要的化学反应，是指两个或多个分子相互键合交联成网络结构的反应。这种反应能够显著提升材料的强度、耐热性、耐磨性、耐溶剂性等性能。氮化钛是一种光热转换材料，可以将吸收的光能转化为热能。

凝胶多糖在水溶液中经过加热可以形成凝胶的状态。聚丙烯酸钠是一种高吸水性聚合物，在水凝胶材料中发挥着吸收和保存水的作用。氯化锂可以赋予材料吸收水蒸汽的能力，大大提高了材料的捕水能力。

水凝胶的制备过程；b-c. 水凝胶的断层扫描电镜图像；d. 水凝胶的元素分布图；e. 材料的X射线衍射图；f. 材料的红外光谱图；g. 水凝胶的紫外-可见-近红外吸收光谱图.

（图片来源：参考文献1）

研究者对制备的TCP-Li水凝胶材料进行了水吸附和解吸附的实验，以验证其在水分吸收和释放的能力。实验结果表明，该水凝胶材料具有较强的吸水能力，在30℃温度条件下，60%和90%的相对湿度环境中，每克水凝胶材料的吸水量分别为2.8和3.38克。

水凝胶材料要想实现水循环，具有高的吸湿性还不够，同时还要具有快速释放水的能力。研究者在模拟阳光的环境中对水凝胶材料的水分释放能力进行了测试。

实验结果表明，TCP-Li水凝胶材料在模拟阳光光源的条件下还能够快速地进行水分的释放，即使在60%的太阳光照射强度下，也能在60分钟内释放95%的水分。与此同时，该材料还具有高的使用寿命，在完成15个水分子吸收和释放实验后，吸湿容量的衰减值低于3%。

水回收装置TEAD的结构示意图；b. TEDA吸附-解吸过程中的传热、

传质分析；c. TEDA装置图；d. 解吸过程中TEAD的红外温度图.

（图片来源：参考文献1）

在对TCP-Li水凝胶进行性能测试后，研究者还利用该材料制备了一种水回收装置（TEAD），该装置可以在夜间收集作物蒸腾和土壤蒸发产生的水蒸汽，并且在白天太阳光作用下释放水分用于农作物的灌溉。实验结果显示，TEAD水回收装置每天可从每株植物收集87.1克水，每平方米可回收1890.6克水，实现了44.9%的节水效果，大大降低了灌溉水的浪费。

水凝胶的其他用途

护肤领域，水凝胶可以做成面膜，起到紧密贴合肌肤，有效锁住并释放水分的作用，为肌肤提供长时间的深层滋养，帮助肌肤恢复水润光泽。

环保领域，水凝胶也被用来开发各种高效的水处理材料。它们能够吸附并去除水中的重金属离子、有机污染物等有害物质，有效净化水质，保障人们的饮用水安全。

水处理

（图片来源：veer图库）

智能材料领域，水凝胶以其对水独特的响应能力，被广泛应用在智能材料领域。例如，刺激响应水凝胶可以根据外部环境的变化（如温度、湿度等）发生形变或产生电信号，为智能穿戴设备提供新的功能和交互模式。

结语

太阳能驱动水凝胶的诞生，不仅是对传统温室大棚的一次重大突破，更是对农业可持续发展理念的践行。它让我们看到，在科技的助力下，人类有能力克服自然资源短缺的难题，创造出更加绿色、环保、高效的生产模式。我们期待这种高科技材料在农业生产中的应用，为节约水资源和农业的高科技发展贡献出宝贵的力量。

参考文献：

1.Zou, H., Yang, X., Zhu, J. et al. Solar-driven scalable hygroscopic gel for recycling water from passive plant transpiration and soil evaporation[J]. Nat Water , 2024.

2.Achour, Y. et al. Technological progresses in modern sustainable greenhouses cultivation as the path towards precision agriculture[J]. Renew. Sust. Energ. Rev. 12021.

3.崔桂官,徐礼勤.温室大棚灌溉技术的探讨[J].节水灌溉, 2007.

4.翟茂林,哈鸿飞.水凝胶的合成、性质及应用[J].大学化学, 2001.