康奈尔大学研究团队利用超黑羊毛实现海水淡化技术

根据最新的科学预测，到 2050 年，全球近一半的城市人口可能会缺乏清洁饮用水，这一数字较 2016 年上升了 50%。康奈尔大学的研究人员寻求一个意想不到的解决方案：灵感来自于世界上最深黑羽毛的同种深黑鸟类羽毛。由康奈尔大学人本设计系助理教授拉莉莎·谢泼德（Larissa Shepherd）领导的团队展示了一个惊人的发现：经多巴胺染色的羊毛，包括受壮丽步枪鸟启发的超黑版本，能够仅利用阳光净化海水。

这项研究由曾在谢泼德的响应式服装设计实验室工作的朴圭仁（Kyuin Park）主导，并发表在《先进科学》（Advanced Science）期刊上。

多巴胺染色羊毛的技术原理

多巴胺是一种受黑色素启发的聚合物，黑色素是使贝类呈现深色的色素。该化合物能够强烈地与其他材料结合，并吸收近红外光，直接将其转化为热量。谢泼德的实验室此前利用多巴胺染色的羊毛，结合等离子体蚀刻产生的光捕获纳米纤维，制造出模仿步枪鸟羽毛的创纪录超黑材料。在这项研究中，团队将相同的材料应用于一个不同的问题：海水淡化。他们使用了一种称为界面太阳蒸汽生成（interfacial solar vapor generation）的技术，特殊的材料部分浸入水中，利用阳光加热其表面并直接将其转化为蒸汽。

该蒸汽随后凝结回可饮用水，并将原有的盐分大部分留下。

羊毛的环保优势

谢泼德表示，羊毛的生物降解性使这种方法与许多现有的淡化材料区别开来。与基于塑料的系统不同，羊毛在随时间降解时不会留下微塑料或其他持久残留物。研究人员测试了三种羊毛结构在三种物理配置下的表现，包括平躺在水面上的水平型、一侧垂直型以及两侧垂直型，后者使用镜子同时照亮材料的两面。经验证，两侧垂直配置的表现最佳，该配置中的超黑染色羊毛每平方米面料每小时捕获 2.43 公斤的水。

仅使用多巴胺染色的羊毛在没有额外超黑处理的情况下，则每平方米面料每小时达到 2.21 公斤。这两个数字几乎是传统水平蒸发装置的两倍。

此外，该材料还能抵抗盐分污染，这是太阳淡化系统的一个常见故障点，研究表明其持续运行 10 小时而不会出现盐分堆积干扰性能。根据谢泼德的说法，所得水中的盐分水平远低于世界卫生组织的饮用水标准。谢泼德指出，仅使用多巴胺的羊毛已经表现良好，因此额外的等离子体蚀刻步骤可能不总是值得付出额外的努力。要达到超黑效果则需要这一附加步骤。然而，她表示，在全年运行期间，这一额外的蒸发增益可能会证明是值得的。

一旦基础的多巴胺处理已经到位，超黑染色便是一个相对适度的附加步骤。未来的研究将直接在雨水和废水上测试染色羊毛技术，并改进设计以实际收集产出的净化水。

超黑羊毛技术的潜在影响

随着全球水资源短缺问题日益严重，康奈尔大学的研究提供了一种创新的解决方案。利用多巴胺染色的羊毛进行海水淡化，不仅能有效提高水的捕获效率，还具备环保特性，避免了传统材料可能带来的微塑料污染。这项技术的成功应用，可能对未来水资源管理和可持续发展产生深远影响，尤其是在面对气候变化和人口增长挑战的情况下。