康奈爾大學研究團隊利用超黑羊毛實現海水淡化技術

根據最新的科學預測，到 2050 年，全球近一半的城市人口可能會缺乏清潔飲用水，這一數字較 2016 年上升了 50%。康奈爾大學的研究人員尋求一個意想不到的解決方案：靈感來自於世界上最深黑羽毛的同種深黑鳥類羽毛。一個由康奈爾人本設計系助理教授拉莉莎·謝潑德（Larissa Shepherd）領導的團隊展示了一個驚人的發現：經多巴胺染色的羊毛，包括受壯麗步槍鳥啟發的超黑版本，能夠僅利用陽光淨化海水。

這項研究由曾在謝潑德的響應式服裝設計實驗室工作的樸圭仁（Kyuin Park）主導，並發表在《先進科學》（Advanced Science）期刊上。

多巴胺染色羊毛的技術原理

多巴胺是一種受黑色素啟發的聚合物，黑色素是使貝類呈現深色的顏色素。該化合物能夠強烈地與其他材料結合，並吸收近紅外光，直接將其轉化為熱量。謝潑德的實驗室此前利用多巴胺染色的羊毛，結合等離子體蝕刻產生的光捕獲納米纖維，製造出模仿步槍鳥羽毛的創紀錄超黑材料。在這項研究中，團隊將相同的材料應用於一個不同的問題：海水淡化。他們使用了一種稱為介面太陽蒸汽生成（interfacial solar vapor generation）的技術，專門的材料部分浸入水中，利用陽光加熱其表面並直接將其轉化為蒸汽。

該蒸汽隨後凝結回可飲用水，並將原有的鹽分大部分留下。

羊毛的環保優勢

謝潑德表示，羊毛的生物降解性使這種方法與許多現有的淡化材料區別開來。與基於塑膠的系統不同，羊毛在隨時間降解時不會留下微塑膠或其他持久殘留物。研究人員測試了三種羊毛結構在三種物理配置下的表現，包括平躺在水面上的水平型、一側垂直型以及兩側垂直型，後者使用鏡子同時照亮材料的兩面。經驗證，兩側垂直配置的表現最佳，該配置中的超黑染色羊毛每平方米麪料每小時捕獲 2.43 公斤的水。

僅使用多巴胺染色的羊毛在沒有額外超黑處理的情況下，則每平方米麪料每小時達到 2.21 公斤。這兩個數字幾乎是傳統水平蒸發設置的兩倍。

此外，該材料還能抵抗鹽分污染，這是太陽淡化系統的一個常見故障點，研究表明其持續運行 10 小時而不會出現鹽分堆積幹擾性能。根據謝潑德的說法，所得水中的鹽分水平遠低於世界衞生組織的飲用水標準。謝潑德指出，僅使用多巴胺的羊毛已經表現良好，因此額外的等離子體蝕刻步驟可能不總是值得付出額外的努力。要達到超黑效果則需要這一附加步驟。然而，她表示，在全年運行期間，這一額外的蒸發增益可能會證明是值得的。

一旦基礎的多巴胺處理已經到位，超黑染色便是一個相對適度的附加步驟。未來的研究將直接在雨水和廢水上測試染色羊毛技術，並改進設計以實際收集產出的淨化水。

超黑羊毛技術的潛在影響

隨著全球水資源短缺問題日益嚴重，康奈爾大學的研究提供了一種創新的解決方案。利用多巴胺染色的羊毛進行海水淡化，不僅能有效提高水的捕獲效率，還具備環保特性，避免了傳統材料可能帶來的微塑膠污染。這項技術的成功應用，可能對未來的水資源管理和可持續發展產生深遠影響，尤其是在面對氣候變化和人口增長挑戰的情況下。