大家好！今天来了解一篇三维蒸发器阵列的研究——《Kirigami enabled reconfigurable three-dimensional evaporator arrays for dynamic solar tracking and high efficiency desalination》发表于《SCIENCE ADVANCES》。全球水资源短缺问题日益严峻，海水淡化成为重要解决方案。然而，传统太阳能蒸发器存在诸多局限。将Kirigami技术引入，成功构建了三维蒸发器阵列。它不仅能动态跟踪太阳，还具备高效海水淡化能力，有望为水资源问题带来新的曙光，下面让我们深入了解这项研究。
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一、研究背景
海水淡化是解决全球水资源短缺的重要途径之一，太阳能作为一种清洁能源，在海水淡化领域具有巨大的应用潜力。传统的太阳能蒸发器存在效率低、不能动态跟踪太阳等问题。Kirigami技术为解决这些问题提供了新的思路，它可以通过简单的切割和变形实现复杂的三维结构，从而提高太阳能的利用效率。本文介绍了一种基于Kirigami技术的可重新配置的三维蒸发器阵列，用于动态太阳能跟踪和高效海水淡化。
二、KHSEs的设计与制备
（一）材料选择
KHSEs基于复合水凝胶膜，该膜包含芳纶纳米纤维（ANF）网络和聚乙烯醇（PVA），通过溶液处理制备。这种材料组合具有优异的机械性能和良好的水传输动力学，为构建高性能蒸发器提供了基础。例如，ANF-PVA-PPy水凝胶膜的拉伸性可达~120%，强度约为~8MPa，模量约为~10MPa，断裂能高达~2900J/m²。这使得水凝胶膜在承受拉伸时不易断裂，能够满足Kirigami结构的变形要求。
（二）制备过程
制备过程包括将ANF分散液和PVA溶液混合，通过刮刀涂布形成膜，然后进行溶剂交换得到水凝胶膜。接着，将水凝胶膜浸入FeCl₃溶液并暴露于吡咯蒸气中，使膜表面涂覆聚吡咯（PPy）实现光热转换。最后，利用激光雕刻在水凝胶膜上制作周期性三角形缺口，得到KHSE。
三、KHSEs的性能研究
（一）机械性能
1、拉伸与强度特性
KHSEs的机械性能对其在实际应用中的稳定性至关重要。ANF-PVA-PPy水凝胶膜在拉伸过程中表现出良好的性能，其拉伸性和强度能够适应不同的工作条件。例如，在80%的拉伸应变下，膜依然能够保持结构完整，这得益于其高断裂能。
2、结构设计影响
结构设计参数如切口角度（θ）、特征长度（l）和膜厚比（l/t）等对KHSEs的变形模式和性能有显著影响。通过改变θ，可调节KHSEs的拉伸性和倾斜角（γ）。当θ=10°时，KHSE在90%应变下拉伸性可达200%，饱和倾斜角为70°。随着θ增加，拉伸性和最大倾斜角减小，这是因为结构刚度（Eₖ₂）在第二阶段增加，使变形更早进入第三阶段（弯曲主导变形）。此外，l/t比值影响倾斜角范围，在相同l下，膜厚度减小会使倾斜角增大，随后达到最佳设计范围的平台，之后因结构刚度降低而使倾斜角下降。
（二）水传输与脱盐性能
1、微图案促进水传输
为提高水传输效率，在KHSEs表面制作了仿生3D毛细管棘齿微图案。这些微图案呈周期性排列，宽度、高度和间距均为250μm，倾斜角为45°。这种结构使水能够在0.3秒内迅速在水凝胶条上完全扩散，相比光滑水凝胶，水传输能力显著增强。
2、局部盐结晶机制
在饱和盐水中太阳能脱盐时，KHSEs的3D结构和表面微图案促进了局部盐结晶。锥形结构使蒸发器尖端蒸汽排出更高效，防止蒸汽积累，促进连续蒸发，导致尖端温度较低，液体更易达到结晶浓度，从而优先在尖端结晶。实验中观察到盐在尖端结晶的现象，且通过拉伸KHSEs可实现盐晶体的自动去除。
（三）太阳能跟踪性能
1、倾斜角与投影面积关系
太阳能跟踪性能直接影响蒸发器的能量吸收效率。KHSEs的投影面积随应变增加而减小。通过调整倾斜角（γ）与太阳高度（α）耦合，可实现有效太阳能跟踪。根据公式AP = Asin(α+γ)[1-tanγ/tan(α+γ)](1+εT)（其中A为初始面积，εT为横向应变），在太阳高度为20°时，70°的倾斜角可保持较大投影面积。当倾斜角减小10°，投影面积因自阴影效应会减少超过30%。因此，选择θ=10°的KHSE用于太阳能跟踪，其在太阳高度20°时能保持88%的投影面积，比平面蒸发器高158%。
2、KHSEs阵列中倾斜角分布
对于3D弹出结构的KHSEs阵列，单元间倾斜角分布需关注。模拟研究发现，阵列中间区域倾斜角分布均匀（变化小于2°），均匀区域大小与阵列行数（Nᵣ）和列数（N₆）有关。通过将阵列划分为多个区域并统计倾斜角，得到经验公式P = {1-[7(2Nc-1)+Nr+1]/2NrNc}×100%，用于确定均匀区域相对总面积的大小。
四、实际测试
为验证KHSEs在实际应用中的性能，开发了原型进行户外测试。该原型集成了蒸发系统、微控制器、两个舵机和电池。舵机#1用于控制KHSEs的循环拉伸，舵机#2用于控制平台旋转。通过自动太阳跟踪算法，根据地理位置（22°16′50″N，114°10′20″E，香港）、日期和时间计算太阳高度和方位角，确定KHSEs的倾斜角和应变。户外测试从上午8点到下午4点进行，期间记录太阳角度、强度、温度和相对湿度变化。测试结果表明，自动太阳跟踪的KHSEs水产量达到14.9升/平方米，比静态KHSEs（倾斜角30°）和平面蒸发器分别高出18%和85%。
五、讨论与展望
本文成功展示了基于Kirigami的三维蒸发器阵列在太阳能脱盐方面的卓越性能。研究成果不仅为高性能ISEs的开发提供了有力支持，还为其他Kirigami设备在能源系统、柔性电子、软机器人等领域的应用提供了宝贵的见解。然而，要实现工业化应用，仍需进一步优化系统。例如，目前太阳能方位角跟踪依赖整个太阳能淡化系统的旋转，未来可通过创新设计简化转向系统，降低体积和成本。同时，全面评估环境稳定性，考虑生物降解和生物污染等因素，对确定蒸发器实际使用寿命至关重要。此外，调整水凝胶成分以实现如重金属吸附等扩展功能，将更好地满足水处理的多样化需求。
六、一起来做做题吧
1、以下关于现有界面太阳能蒸发器（ISEs）的说法，正确的是？
A. 它们在实际应用中不受配置固定的影响。
B. 其性能在理想实验室环境和实际应用中差异不大。
C. 多数在能量收集和清洁水生产效率方面有待提高。
D. 与太阳能跟踪平台集成后可完全克服性能问题。
2、KHSEs 制备过程中，在水凝胶膜上涂覆聚吡咯（PPy）的主要作用是什么？
A. 提高水凝胶膜的拉伸性。
B. 增强水凝胶膜的机械强度。
C. 实现光热转换。
D. 便于激光雕刻三角形缺口。
3、对于 KHSEs 的机械性能，以下哪种说法不正确？
A. 其拉伸性和倾斜角可通过改变切口角度调节。
B. 膜厚比只影响 KHSEs 的拉伸性，对倾斜角无影响。
C. 高模量有助于抵抗重力实现稳定 3D 结构。
D. ANF - PVA - PPy 水凝胶膜具有较高的断裂能。
4、在户外测试中，自动太阳跟踪的 KHSEs 水产量比平面蒸发器高多少？
A. 18%
B. 82%
C. 85%
D. 158%
参考文献：
Hao Li et al. Kirigami enabled reconfigurable three-dimensional evaporator arrays for dynamic solar tracking and high efficiency desalination. Sci. Adv.10, eado1019(2024).
