近日，材料科学与工程学院徐晓峰教授课题组在国际顶尖材料期刊《Advanced Functional Materials》上发表题为“Hygroscopic Core−Shell Matrices via Coaxial Multi-Material Printing for Tailored Atmospheric Water Sorption”的研究成果。该研究利用同轴多材料3D打印技术设计制备了具有Janus结构特征的吸湿性核−壳矩阵，实现了对广湿度范围的大气水的高效稳定吸附与解吸附循环，在大气水收集、湿热调控与光伏冷却等应用场景中展现出优异性能与潜力。
大气水收集技术为缓解淡水资源短缺、实现湿度管理与被动式冷却提供了新思路，然而，传统的盐基吸湿材料骨架，如气凝胶和水凝胶等多孔材料，在结构可控性方面存在局限，限制了其在复杂应用场景中的集成与优化。针对上述挑战，该团队通过同轴多材料打印技术开发了3D吸湿性核心−外壳结构矩阵（如图）。壳层墨水以纤维素纳米纤维为主体，通过丙烯酸接枝改性形成高孔隙率的气凝胶结构，提供了快速的水汽传输通道和优异的毛细吸收能力；核层墨水则引入LiCl作为吸湿核心，并结合两性离子共聚物P(DMAPS-co-HEAA)，该共聚物通过其带有正负电荷的两性离子基团与Li+和Cl−形成静电相互作用，在增强材料机械性能与结构稳定性的同时，有效抑制了盐分迁移和泄漏。通过同轴喷嘴同步挤出核层和壳层墨水，并在紫外光照射下进行原位交联，成功制备了每根挤出线条都具有核−壳异质结构的三维吸湿矩阵。这种线条尺度的结构设计协同增强了矩阵的比表面积、传质通道、盐分保持能力和盐溶液吸收性能。
通过同轴3D打印制备的核-壳矩阵、多重交联网络及吸湿矩阵的性能示意图
实验结果表明，核−壳矩阵在90% RH，24 h内水吸附量达2.15 g g−1，在90 °C下30 min内可释放92%吸附水，且在50次吸附−脱附循环中性能无明显衰减。与传统单一材料打印的吸湿性矩阵相比，采用核心−外壳结构的3D打印吸湿矩阵在结构多样性、吸湿速率和稳定性等方面具有明显优势。该技术实现了对吸湿材料孔隙结构的精确调控，通过优化外壳组分与微观结构，进一步提升了水分传输与吸附效率。本研究首次实现了利用同轴3D打印技术构建结构异质吸湿复合材料，为湿度管理、大气水收集及蒸发冷却等应用提供了可定制化的材料与工艺解决方案。该工作将同轴多材料3D打印引入吸湿复合材料设计与制备，从材料开发、3D结构构筑到多场景应用验证开展了系统的研究和探索。
论文第一作者为材料科学与工程学院2022级博士研究生吴晓春同学。本研究获得了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、青岛市自然科学基金等项目的资助，得到了英国、瑞典和芬兰多位国外合作导师的支持。
文/图: 吴晓春
