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深圳先进院邰艳龙研究员与石河子大学刘志勇教授联合团队发表ACS Applied Materials & Interface发表正封面论文

2026-06-22 02:45:21

文章设计并合成了在氧化石墨烯板上生长的微/纳米级氯化钠晶体三维结构（rGONC），基于电动力学理论揭示了Na⁺/Cl⁻与氧化石墨烯（GO）片层的相互作用机制，并通过使用钛作为防结块剂，实现了其从二维形态到三维形态的可控生长。热还原后发现，rGONC颗粒形成了亲水/疏水交替的微/纳米结构，其中氯化钠（NaCl）作为亲水区域，而GO则作为疏水区域。这种结构类似于沙漠甲虫表面微结构，可高效收集水蒸气。研究表明，其在环境相对湿度58−62%时的潮解率低于RHd（约75% RH的NaCl），并能形成4−7倍于原始测量面积的较大水滴。这归因于仿生纳米结构表面能梯度（F，约9.86×10⁻⁸N）与NaCl潮解的蒸气压梯度（F‘，约1.59×10⁻⁹N）的协同水分子聚集效应，在相对湿度较低的环境下形成更大的水滴。通过环境扫描电子显微镜的微观原位观察和三维环境舱实验的宏观验证，rGONC颗粒作为水蒸气收集器的优势得到证实。rGONC作为高效吸湿性材料，性能优异且稳定，可作助力雾霾、雾气治理，优化大气环境。其轻质柔性、灵敏响应的特性，为可穿戴电子发展提供核心支撑。该材料可作为柔性传感单元，集成于智能服装、健康手环等设备，精准实时感知人体微环境湿度。依托导电性与稳定性，推动柔性传感与可穿戴电子深度融合，通过人机交互实现智能反馈，兼顾个人健康监测与跨场景协同，为柔性传感、人机交互及可穿戴电子创新注入新动力。

【研究内容与亮点】

近年来，空气水收集技术的研究备受关注，凭借在可穿戴电子、环境净化等领域的巨大应用潜力，该方向已成为研发热点。空气水是重要的自然资源，储量约为地球地表淡水总量的10%，而高效吸湿性材料的研发，不仅能有效缓解水资源短缺问题，还能为可穿戴电子、湿度敏感设备的发展提供创新解决方案。目前空气水收集的现有技术存在不足：物理冷却压缩技术低效，多孔材料、金属有机框架等吸附材料虽吸水性能良好，但水分释放能耗较高。在纳米技术推动下，仿生微结构设计成为提升其吸水效率的关键手段。科研人员受沙漠甲虫、仙人掌等干旱环境生物启发，构建优化表面形貌与润湿性的收集系统，为柔性传感精度提升、可穿戴电子环境适配性优化提供结构参考。传统吸湿盐（如NaCl）是空气水收集的常用材料，存在吸湿点高、成核自由能障碍大等问题，实际应用效果受限。为了提高其吸湿能力，研究人员尝试将其与硝酸钠、氯化钙等其他吸湿盐，或聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠等强吸水聚合物机械混合。然而，这些方法并未从根本上改变NaCl的吸湿行为，仅实现了有限的性能提升。

受此启发，我们提出了一种新型的氧化石墨烯纳米复合颗粒，该材料能够在氧化石墨烯基板上逐步生长出微/纳米级的NaCl晶体柱，形成类似“晶体森林”的结构。这种结构不仅增强了材料的吸湿能力，还提供了稳定的成核位点。通过调控晶体相关参数，该材料可更好适配可穿戴电子微型化、柔性化的设计需求，同时助力柔性传感模块与人机交互系统的高效融合，为空气水收集技术及相关领域发展提供了新路径。

亮点一：设计一种仿生rGONC颗粒，通过NaCl与热还原GO的协同作用，低湿度条件下高效捕获水分子，为柔性传感、可穿戴电子的低湿度响应提供核心支撑。
亮点二：基于电动力学和Wilson-Frenkel理论，实现了从二维到三维结构的可控生长，优化材料性能以适配可穿戴电子需求。
亮点三：多尺度实验验证其捕获机制及其在不同湿度下的性能，展现出在环境净化、可穿戴电子、柔性传感及人机交互领域展现广阔应用潜力。

相关研究结果以“Micro/Nano-Crystal 3D Growth on Graphene Oxide Plates for a Bioinspired Air−Water Harvester”为题，于2026年1月22日发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。吴锡言、张丽童同学为论文的共同一作，邰艳龙教授、刘志勇教授为论文共同通讯作者。