麻省理工学院超声波装置可从空气中高效地震出饮用水

麻省理工学院（MIT）工程师研发出一种超声波装置，可极大程度上加快空气制水材料中的水分释放速率。与传统依靠加热方式不同，该设备通过“摇晃”水分子而非加热，显著提升了效率。凭借小型太阳能电池供能，设备每天可进行多次取水循环，有望让离网空气取水系统大大提升实用性。

近年来，科学家们不断研发出能从空气中收集并释放水分的海绵状材料。在极为干燥的环境，只要氛围存在微量湿气，这些材料就能捕获并释放出可饮用的水。然而要从材料中取出已收集水分，过去一般需要依赖阳光加热，使水分蒸发再冷凝为液体，整个过程经常需要数小时乃至数天。

麻省理工的研究团队设计出一种可以产生高频振动的超声设备，将吸水材料（吸附剂）置于其上时，设备发出的超声波能“震散”水分子，从而在几分钟内完成水分释放，远快于传统加热方法。团队测试显示，这种设备不仅无需加热，还可以用小型太阳能电池驱动，并且太阳能电池还能兼作传感器，用以检测材料是否吸满水分，令设备实现自动化取水。

“人们一直在探索如何利用大气获得水资源，这对沙漠以及没有海水可供淡化的地区尤其重要。”MIT机械工程系首席研究科学家Svetlana Boriskina表示。“我们现在有了快速高效的水回收方案。”

研究团队介绍，这项成果由Ikra Iftekhar Shuvo（研究生）、Carlos Díaz-Marín、Marvin Christen、Michael Lherbette及Christopher Liem等人共同完成。Boriskina的团队专注于材料与环境间的创新互动，之前也研究过如何通过空气制水工程帮助饮水资源匮乏地区解决用水难题。

“任何非常擅长吸水的材料，其实并不‘舍得’释放水分，因此要消耗许多能量并花费大量时间才能收集出水。”Boriskina解释。Shuvo的加入为研究团队带来了新思路，他在可穿戴医疗设备领域积累了丰富的超声经验，将这一技术应用于空气制水后，团队发现超声波确实能高效释放水分。

超声波是一种频率超过2万赫兹的声波，人耳既看不见也听不见。而正是这样的高频率，恰好能“震动”并释放材料中的水分子。“超声能精准击破水分子与材料结合的弱键，”Shuvo说，“水分子在声波作用下仿佛在‘起舞’，这种扰动令其获得动能，进而以水滴形式被震出。”

研究团队设计的新型超声致动器，其核心是通电后能够振动的平面陶瓷环，外围环布满微喷嘴。被震出的水滴会通过喷嘴落入上下方的收集容器。实验中，团队在不同湿度环境下使吸水材料充分吸湿，再置于超声设备上，仅用几分钟就能将样品“晾干”收集完水分。与太阳能加热相比，这一设计在水分提取效率上提升了45倍。

Boriskina预计，未来家用系统或许可以将快速吸湿材料与超声设备结合，约占一扇窗户大小。只要材料饱和，超声设备即可短暂启动，由太阳能供电，将水分“震”出，材料随即又能进入下一个收集周期，每日循环多次，大幅提升产水量。

编译自/ScitechDaily