MIT開發超聲大氣取水技術，震動后就出水，效率提升45倍

（來源：MIT News）

在全球水資源緊缺的時代，從空氣中取水已不再是科幻。即便是沙漠地區，空氣里也蘊含著可被利用的水分。然而，如何快速、低成本地回收這些水，一直困擾著研究界。

現有技術主要分為兩類：主動制冷技術，通過將空氣冷卻至露點以下以促進凝結；吸附–解吸技術，利用多孔親水性吸濕劑從空氣中收集水分，再通過加熱蒸發–冷凝的方式提取水。然而，前者難以小型化，不易實現分布式、低成本的水生產；而后者在目前的發展階段，其熱驅動解吸過程能耗極高。

近日，來自麻省理工學院（MIT）的團隊提出了一種全新方案：不用曬，不用等，而是用超聲波把水“震”出來。相關研究已發表于 Nature Communications。

這項研究的通訊作者、MIT 首席研究科學家 Svetlana Boriskina 致力于開發能夠捕獲和操控光及其他輻射形式的新材料與新技術。她的跨學科研究融合了納米光子學、等離激元學、電子學、熱力學與力學等領域。Svetlana 研制了能夠在室內外提供熱舒適、且無論環境如何都能保持潔凈的智能織物；能夠在無任何染料或顏料的情況下呈現顏色、并能對外界刺激產生響應的新型超材料；以及能夠為偏遠無電網地區和災區提供清潔能源與淡水的創新太陽能收集平臺。

她至今仍記得緩慢蒸發過程帶來的挫敗感。她的團隊一直在研發用于大氣水收集的先進材料，卻始終無法解決同樣的問題。這些材料吸濕性極佳，卻難以釋放水分。

轉折來源于 MIT 媒體藝術與科學專業研究生 Ikra Iftekhar Shuvo 的加入，Shuvo 之前一直在研究用于可穿戴醫療設備的超聲波技術。當他們一起探討新的研究方向時，很快意識到：超聲可能正是加速取水回收步驟的關鍵。

超聲波的振動頻率高到人類無法聽見。這些微小而快速的運動恰好足以產生擾動，讓水分子從材料內部緊貼的吸附位點上脫離。Shuvo 將這個過程形容為“看著水跳舞般離開材料”。前一刻材料還看起來干干的，下一刻水滴便開始出現、凝結、滑落。

為了實現這一點，團隊構建了一個通電后會振動的扁平陶瓷環。其關鍵就在于一圈壓電陶瓷（PZT）和一張打了細密小孔的不銹鋼網膜。

當高頻電壓加在 PZT 環上，它會在平面內微微伸縮，這個細小的形變會被放大成鋼網膜的上下振動——頻率在 10 萬赫茲量級，高到人耳完全聽不見。更巧妙的是，PZT 在高頻下工作會產生一定的鐵電“內損耗”，順帶把膜加熱一點點：同一塊薄膜，既是振動源，又是一個小號“電熱片”。

水并不是憑空出現的。研究團隊先做了一類專為“抓水”設計的水凝膠：以聚丙烯酰胺（PAM）為骨架，摻入高濃度氯化鋰（LiCl）。鋰離子和氯離子像一群“濕氣磁鐵”，能在從 15% 到 80% 以上的相對濕度下，從空氣里持續把水抓進凝膠網絡中。

在這套體系里，凝膠的“筋骨”很關鍵。研究者合成了三種版本：從非常柔軟的 HG-A，到能自己立起來的剛性 HG-C，它們的不同只在于一個參數——交聯劑含量。結果很直觀：越硬的凝膠，在顯微鏡下結構越緊致，超聲通過時衰減也越大，水就越難被“震”出來；越軟的凝膠，越像一塊會跟著膜一起起伏的“水墊”，更容易把水甩出去，單位能耗也明顯更低。

（來源：Nature Communications）

在測試中，研究人員先將小塊取水材料放入濕度艙，使其完全飽和，然后分別將它們置于超聲裝置上。結果非常一致：原本需要幾十分鐘甚至數小時才能完成的過程，現在只需幾分鐘

研究團隊估算，他們的超聲提取方式比單純依賴太陽加熱高出約 45 倍的效率。這不僅僅是提升，而是徹底進入了另一類性能水平。

基于 10 小時循環實驗的數據，團隊推算，在 75% 相對濕度條件下，一個 1 平方米的系統每天可產水約 3.25 L/m2/day，單位能耗約 0.576 MJ/kg。由于超聲釋水不需要陽光照射，裝置可以垂直疊層部署。也就是說，用五層疊放的結構即可將同面積產水量提升五倍至 16.25 L/m2/day。如果換用吸水更快的材料，日產水量仍有提升空間。

技術經濟分析顯示，該系統在 75% 相對濕度條件下的理論制水成本約為 0.19 美元/升，低于多個國家瓶裝水的市場價格。水凝膠成本低廉，其壽命對總體水價影響甚微，裝置的使用壽命反而更重要。

研究團隊設想，該裝置可以由小型太陽能電池供電，該太陽能電池還可以作為傳感器，檢測吸附劑何時吸滿。此外，該裝置還可以被編程，以便在材料吸收了足夠的水分后自動啟動。這樣，該系統可以在一天內多次循環地從空氣中吸收和釋放水分。

1.Shuvo, I. I., D., C., Christen, M., Lherbette, M., Liem, C., & Boriskina, S. V. (2025). High-efficiency atmospheric water harvesting enabled by ultrasonic extraction. Nature Communications, 16(1), 9947. DOI: 10.1038/s41467-025-65586-2

2.https://news.mit.edu/2025/ultrasonic-device-dramatically-speeds-harvesting-water-air-1118