可穿戴太阳能水循环系统

自然界中，植物通过蒸腾作用和毛细作用等过程实现物质、能量和信息的循环，其中蒸腾作用利用太阳能驱动富含矿物质的水分在茎中运输，通过液-气相变实现离子-水分离并维持离子水的持续供应。受此启发，开发可穿戴太阳能流体系统具有巨大潜力，但当前人工流体系统依赖刚性泵管或需额外电力，且存在蒸发冷却降低温度梯度、离子逆温差移动破坏热渗透等挑战。

为解决这些问题，研究团队设计了一种类似植物茎的一维长纤维材料结构，其具有轴向传质和各向异性导热特性，通过二次编织设计有效连接微尺度和宏观流体，实现从界面到系统的无缝热质传递管理，并可组装成可穿戴纺织品。该可穿戴人工生态系统以含水分和离子的人体汗液为双重载体，在阳光下模拟植物的太阳能驱动蒸腾和细胞渗透作用。光热织物与皮肤间的温差驱动汗液蒸发，实现水与离子分离以产生饮用水；同时，温度梯度通过热渗透驱动流体流动，使净电荷载体沿织物纳米通道表面定向移动，产生电能并实现信息传输。

在材料制备上，团队以棉纺织品为原料，经碳化处理获得高石墨化程度的碳 textile，其纱线由有序扭曲的纤维组成，纤维间形成众多对齐的流体纳米通道。通过在交织纤维上修饰水合氯化钴纳米线，有效分离蒸发区和热区，纳米线的高比表面积、亲水性和毛细作用促进汗液传导和蒸发，而光热碳纤维作为主要热源，避免了快速蒸发导致的热源冷却，确保驱动热渗透和热蒸发的稳定温度梯度。该复合织物（Co-carbon textile）具有良好的机械性能，拉伸强度达6.73 MPa，断裂伸长率17.5%，可承受2000次拉伸和弯曲循环而不损坏。

性能测试显示，该光热织物在250-2500 nm波长范围内平均吸收率达96.8%，1个太阳光照下织物与人体皮肤间的温差维持在17.3°C，能在400 ms内快速吸收模拟汗液，在95%相对湿度下吸水率达4.16 g/g。户外测试中，0.660 m²的织物在40%相对湿度下吸水率达15.9 g/g；1个太阳光照下蒸发速率为1.97 kg/m²·h，50小时循环蒸发性能稳定，不同尺寸的织物日淡水产量从752升至1960升/千克不等。在发电方面，0.0225 m²的织物可输出6.73 V电压，0.660 m²的织物在平均户外辐照度0.930太阳下累计输出电压达137 V，功率密度1.21 kW/m²，且在7天重复使用和多次切割后仍能保持稳定发电。

实际穿戴测试中，测试者以5 km/h的速度跑步时，该系统每千克织物可产生24.2升淡水，符合世界卫生组织饮用水标准，同时输出8.50 V电压，腹部和肩部的峰值功率密度分别达7.21 W/m²和9.31 W/m²。该系统还成功通过汗液驱动的信息交互无线控制了小型火星车，未来有望应用于火星任务等外星探索，以及地球沙漠等缺水缺能地区，满足人类生存和通信需求。此外，该技术可作为“太阳能驱动的化工工厂式平台”，通过可编程的流体纤维网络实现可持续的水、能源和数据生产，减少传统化工和发电厂的碳排放和土壤污染，具有重要的全球环境和能源意义。