全球水污染、资源短缺及可持续能源管理问题日益严峻，开发先进的水能管理与资源回收技术已成为全球紧迫任务。微塑料等新兴污染物治理以及从水体中提取锂等关键离子，对可持续能源系统提出了艰巨挑战。应对这些挑战需要精密工程材料、空间可控的分子相互作用以及高效节能的解决方案，以兼顾经济与环境可持续发展目标。然而，当前水处理与资源提取技术在效率与成本效益方面往往不尽人意。此外，从自然水资源中可持续收集能量以实现自主水管理（如蓝色能源发电）的需求进一步增加了难度。现有技术缺乏适应性与自主能力，难以在远程或大规模场景中高效利用低品位水能，同时保持环境兼容性。因此，亟需开发创新材料推动水处理技术发展以确保长期可持续性。

新加坡国立大学‌何锦韦教授、林志群教授合作开发了一种水凝胶中空纤维丝，采用可持续的连续组装变质（CAM）方法，实现了非平衡层级组装，可控制构象结构与性能。这种自组织转化的设计解决了纤维制造中普遍存在的流体扰动与断裂问题。CAM中空纤维展现出自动泵送差异化离子的作用，关键进展包括热能采集热电势提升约1000%、痕量锂离子收集效率约90%。相关论文以“Continuous Transformation in Spatially Coregulated Hollow Filaments for Water-Powered Energy”为题，发表在Advanced Materials上。

通过CAM方法，在部分互溶两相流体反应中，中空水凝胶的形貌与性能经历了一系列变化。研究首先以吉布斯能随反应配位的变化揭示了这一过程的内在机制：混合两相流体反应中的吉布斯能变化使反应通常随化学平衡而终止，而本工作采用的部分互溶两相流体反应则伴随变质相分离，反应直至热力学平衡才终止，这一差异在传统互溶反应与连续组装变质反应的对比中得到直观呈现（图1a）。基于此，B@A中空纤维丝通过部分互溶两相流体成功制备（图1b），其非平衡转化-偏析过程伴随着取向界面分子链的组装（图1c）。偏振光学显微镜观察表明，干燥的B@A中空水凝胶纤维丝具有明显的中空结构和光滑表面，在交叉偏振片下呈现明显条纹，平行于偏振片时则显示完全暗场，凸显了纤维丝的高取向性。广角X射线散射进一步证实B@A中空纤维丝比A@B水凝胶纤维具有更高的取向性，其中古洛糖醛酸链段的有序排列显著影响取向性。高取向的B@A干燥纤维丝强度约65 MPa，与A@B干燥纤维相当。此外，非平衡界面处的黄色流体A在两相反应中转变为绿色固体，这种变质转变和变色归因于界面反应以及铁氰化物向亚铁氰化物的价态降低，拉曼测试和FTIR光谱证实了这一结论。

图1 部分互溶两相流体反应中通过CAM方法中空水凝胶的形貌与属性演变。 (a) 依赖反应配位的吉布斯能（G）示意图。黑色虚线代表混合两相流体反应中的吉布斯能变化（ΔG），反应通常随化学反应平衡（ξe）而终止。紫色曲线代表本工作中部分互溶两相流体反应伴随变质相分离的ΔG，反应直至热力学平衡（ξe）才终止。插图对比了传统互溶两相流体反应与CAM方法的连续组装变质反应。(b) 利用部分互溶两相流体制备B@A中空纤维的制造过程。(c) 非平衡转化-偏析伴随取向界面分子链组装。

在此基础上，深入探究了不对称形貌及其热伽伐尼性能。B@A中空水凝胶纤维横截面的形貌与热梯度分布显示，从中心到边缘的分子链组装呈现纳米级取向特征（图2a），而从中空纤维丝中心轴到周围环境的实测温度差为热梯度调控提供了依据（图2b）。中空水凝胶的边界条件以压缩力相对于位移的最大偏导数来表征其强度（图2c）。在施加5 K温度梯度下，含与不含可水合氧化还原的水凝胶中表面电位差随时间变化的三维图表明（图2d），原始水凝胶的SPD略有增加（100 mV），而可水合氧化还原注入水凝胶表现出更高的SPD（600 mV），证实了温度升高导致化学势下降的假设。这些相关属性赋予中空纤维自动泵送热伽伐尼性能的潜力（图2e）：当冷水在纤维内部流动时，在超亲水性和毛细作用下，电压逐渐增加直至在特定流速下达到平衡。与以往工作的热伽伐尼性能相比，自动泵送水凝胶纤维系统在电导率、PD、归一化功率密度、功率因子和ZT等参数上均表现优越，其中B@A中空水凝胶纤维表现最佳（图2e）。

图2 (a) B@A中空水凝胶纤维横截面的二维形貌图（上）和热梯度图（下）；左侧（黄色）为从中心到边缘（O到R1）的B@A中空水凝胶纤维轮廓中分子链组装的纳米级示意图。(b) 从中空水凝胶纤维中心轴到周围环境的实测温度差（ΔT）。(c) 中空水凝胶的边界条件。此处，强度代表水凝胶的强度，即压缩力（F）相对于位移（I）的最大偏导数（∂F/∂I）。(d) 在施加5 K温度梯度下，含与不含可水合氧化还原的水凝胶中表面电位差（SPD）随时间变化的三维图。此处，加热速率约为100 K min⁻¹，从100 s开始。(e) 中空水凝胶纤维中贡献于自动泵送和潜在热电势的相关属性，以及三种水凝胶形貌与其他工作的比较。

团队进一步开发了基于中空水凝胶纤维在自然环境中的调节自动泵送能量收集系统（图3a）。该系统允许适应介质、壁厚、温度梯度和高度等因素以最大化收集能量，具有24个集成模块的自动泵送能量收集系统可实现约2.5 V的输出电压（图3b）。通过集成模块、介质、温差和高度，电压输出可以实现调节和放大（图3c），甚至通过可持续太阳能得到提升。在外部水刺激下长时间热伽伐尼稳定性，这些系统与传统水凝胶相比实现了约1000%的提升，并改善了热稳定性（图3d）。在没有太阳能热组件的单一自动泵送系统中，施加约10 mm的小高度差时，测得电压为70 mV，热电势约17.5 mV·K⁻¹；加入被动太阳能热助推器后，电压提升至约130 mV，热电势约20 mV·K⁻¹。此外，四个中空纤维丝串联配置模块在约3 K热梯度下实现了约220 mV的电压，保持约19 mV·K⁻¹的高热电势（图3e）。

图3 (a) 自然环境中自动泵送能量收集系统集成模块的示意图。图中的多孔和中空组件通过BioRender设计。(b) 新加坡国立大学耶鲁-国大学院池塘（位置：北纬1°17′，东经103°50′）中自动泵送能量收集系统的数码照片，由八个集成模块组成，实现约2.5 V的输出电压。比例尺：5 cm。(c) 具有调制因素的集成系统示意图。(d) 传统水凝胶、块体水凝胶、A@B水凝胶纤维和B@A中空水凝胶纤维的热电势（S）。此处，约1000%的提升与传统水凝胶和中空纤维相关。(e) 利用毛细上升和虹吸效应的自动泵、自动泵送和太阳能热助推器以及包含四个串联中空纤维的自动泵在2.8至3 K温度范围内的集成自主系统的电压输出。VT为Note S4中描述的热平衡电位。

在离子提取应用方面，当介质流过中空纤维时，带正电荷的质子化胺基团形成电双层，可与流动中的特定夹杂物相互作用（图4a）。分子动力学模拟揭示了锂离子与内表面胺或质子化胺基团之间的相互作用（图4b），与FTIR光谱一致（图4c），展现了在水系统中离子提取的潜力。图4d展示了中空纤维连续制造的可行性，纤维丝鞘被组装成多孔基质（图4d）。这些中空纤维表现出与微滤相似的去除效率，另外自动泵送中空纤维可在无压、低成本无膜、被动条件下发挥作用。由于不对称官能团的分布，中空纤维可在介质流过时捕获离子，在痕量浓度（0.5~1 mM）下表现出高锂收集效率（约90%）（图4e）。此外，CAM纤维能够仅利用太阳能光照，在无膜或压力条件下实现微塑料过滤性能。

图4 (a) 不对称中空纤维丝的示意图。(b) 壳聚糖（CS）和质子化CS的化学结构，在pH约9.6以下动态转化，以及使用分子动力学模拟的锂离子与CS和质子化CS的相互作用。云图代表分子的等值面。(c) 氯化锂（LiCl）、质子化CS和质子化CS与LiCl相互作用的FTIR光谱。(d) 中空水凝胶纤维丝束的图像。比例尺约10 mm。(e) 使用长度为1 m的自动泵送中空纤维丝对不同离子的被动介质收集效率，以及工业锂提取（ILE）技术，包括电化学离子泵送、电膜、离子交换和纳滤（NF）。(f) 自动泵送中空纤维丝、MF、UF、NF和反渗透（RO）系统中压力与成本的关系。

（来源：高分子科学前沿）