从一篇AM到另一篇AM，只需多钻几个孔？

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关注胡良兵教授的小伙伴都知道，木头在他手中绝不仅仅是一块普通的木头，而是别出心裁地玩出了多种花样，例如强度媲美钢材的超强致密木材（Nature, 2018, 554, 224, 点击阅读相关），以及昼夜皆可辐射制冷的制冷木材（Science, 2019, 364, 760，点击阅读相关）。木材除了能够用作结构材料，还被胡良兵课题组用于太阳能海水淡化（Adv. Mater., 2017, 29, 1704107，点击阅读相关）。他们选用美洲椴木，对表面进行500 ℃、30 s的加热来进行碳化。经过碳化后，它有无缝连接的两层，上层为碳化层，能吸收99%的太阳光，下层提供水分的快速传输的通道，在10个太阳照射的条件下用于海水淡化的效率接近90%，用于海水淡化由于原料易得和制备方法简单而具有美好的应用前景。

木材经过碳化后形成双层结构。图片来源：Adv. Mater.

不过，这一研究中存在盐分积聚的问题。木材在经过长时间的太阳光照射后，表面损失了大量水分，盐分达到饱和，积聚在表面，影响太阳光吸收和海水淡化。如果能让这些盐分得到稀释，盐分就不会饱和，就不会积聚。胡良兵教授团队想到了一个颇具创意且相当简便的方法——钻孔——来解决这个问题。他们在木材的表面钻出密密麻麻的小孔阵列，再对木材的表面进行碳化，加热温度同样为500 ℃，加热时间要稍长点（45 s）。木材同样分为两层，上层具有排列规整、低迂曲度的通道，这些通道有钻出来的小孔（直径约为1 mm）和木材内部固有的通道——直径约为50 µm的导管（vessel）和直径约为12 µm的管胞（tracheid），和下层无缝连接。越靠近木材表面，这两种通道的盐分浓度差异越明显，它们之间可以通过木材内部固有的纹孔（pit）进行盐分的交换，从而避免盐分积聚在表面。而之前的成果由于木材自身的通道的盐分不能进行交换从而产生盐分积聚的现象。显而易见，在木材表面钻孔这个方案不仅非常具有创新性，而且起到非常重要的作用。

胡教授的两项成果的原理的对比。图片来源：Adv. Mater.

表面经过钻孔和碳化的木材的形貌表征。图片来源：Adv. Mater.

测试结果验证了钻孔所起到的效果。表面经过钻孔和碳化的木材在质量分数为20%的NaCl溶液中经过1个太阳6小时的照射后，表面没有盐分；而表面只进行碳化的木材的表面完全被盐分覆盖。通过SEM图可以发现，表面只进行碳化的木材在上述条件下半小时后就已经有盐分积聚在表面，大部分被盐分覆盖的通道是管胞，而表面经过钻孔和碳化的木材在6小时后没有盐分。表面经过钻孔和碳化的木材在30分钟后蒸发速率稳定下来，为1.04 kg m^-2 h^-1左右，蒸发效率为75.1%，而表面只进行碳化的木材在30分钟后蒸发速率只有0.65 kg m^-2 h^-1，逐渐在6小时后降到0.31 kg m^-2 h^-1，效率只有22.1%。在不同浓度的NaCl溶液中，表面经过钻孔和碳化的木材的效率很稳定，而表面只进行碳化的木材的效率随着浓度的升高而迅速下降。表面经过钻孔和碳化的木材在质量分数为15%的NaCl溶液中进行不同光照强度的测试，在连续6小时的测试后未形成积聚的盐分。

两种木材的测试结果的对比。图片来源：Adv. Mater.

表面经过钻孔和碳化的木材要进行大规模应用的话，就必须具有实际应用性。它在质量分数为20%的NaCl溶液中浸泡60天后，蒸发速率未发生变化，表现了它出色的机械稳定性。它在同样浓度的溶液中进行1个太阳连续100小时照射的测试，蒸发效率一直保持在75%，而且蒸发后凝结形成的水的Na⁺的浓度比原来低了4个数量级，满足安全饮用水的相关要求，说明它具有优异的太阳能淡化海水的性能。它在脂肪酸接近饱和的、质量分数为20%的NaCl溶液中的蒸发速率和在质量分数为20%的NaCl溶液中的蒸发速率几乎保持一致。钻孔这种简单策略还可应用在其他用于太阳能海水淡化的材料中（下图e-f），这为优化太阳能淡化海水的性能提供了巨大的空间。