针对这一挑战，德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授和四川大学吴凯副研究员研究团队提出了一种创新的层级结构开放多孔纤维（HOP-Fibers）策略，成功开发出可穿戴的AWH织物。该纤维通过调控两亲性羟丙基纤维素（HPC）的分子构象转变，在连续湿法纺丝过程中原位形成开放孔表面和可调节的内部层级孔结构（图1A）。这一结构设计加速了表面蒸气液化和随后的水传输过程，在不同相对湿度下均展现出卓越的吸水能力和快速的吸附动力学。当编织成织物后，纤维的大孔透气结构保持了高效的水蒸气扩散，在规模化应用中比传统吸附剂实现了3至10倍（图1C）的性能提升。研究团队进一步将AWH织物与便携收集器集成为可穿戴原型机，在20%至80%的相对湿度范围内，实现了每公斤吸附剂每日3.76至7.45升的水生产率，实际收集水量达410至894毫升（图1D）。相关论文以“Scalable hierarchical textile fibers toward personalized wearable atmospheric water harvesting”为题，发表在Science Advances上。

图1. 面向可穿戴空气取水的层级结构纤维织物设计策略。展示了从传统吸附剂在放大过程中因扩散阻力增加而动力学受损的问题，到HOP-Fiber通过表面开放孔和内部层级孔结构加速表面液化与水传输的解决方案，以及编织织物在规模化应用中保持高效吸附能力的优势。 

单纤维设计：从分子构象到层级孔结构

传统湿纺纤维通常呈现皮芯结构，表面致密无孔，内部为均匀纳米孔网络，这种结构因有限的表面液化和受限的水向内传输而不利于高效湿气收集。研究团队利用HPC在水性环境中的分子构象转变——在低浓度LiOH条件下，HPC链通过羟基与水分子形成氢键而呈现亲水性塌缩状态；而在高浓度LiOH的预交联纤维素纺丝溶液中，氢键被显著削弱，疏水力驱动HPC分子链内相互作用，引发关键的“线团-球粒”转变（图2A）。动态光散射分析表明，HPC的相变行为和所得孔结构强烈依赖于纺丝溶液中的LiOH浓度。在低LiOH浓度下，HPC流体力学半径基本不变，形成均匀纳米孔结构；而在高LiOH浓度下，相分离加剧，形成更大的富水HPC球粒，在水分去除后得到更大尺寸的表面和内部孔洞（图2B）。通过调节HPC与纤维素的比例，研究团队制备了HOP-Fiber-1至HOP-Fiber-4四种纤维，其中HPC/纤维素重量比为3:5的HOP-Fiber-4展现出最显著的层级孔隙率，相比均匀孔纤维大幅改善了水传输效率。

吸附过程的热力学与动力学解析

吸湿盐LiCl的引入进一步增强了纤维基吸附剂的湿气吸收能力。整个吸附过程分为三个阶段：表面蒸气液化、通过大孔的径向吸水和随后从小孔到大孔的水传输（图2C）。研究人员通过吉布斯自由能分析揭示了不同孔结构和配置下的热力学驱动力。模型结果显示，开放孔结构降低了吸收后的自由能状态，促进了表面蒸气液化。在30%相对湿度条件下，HOP-Fiber在数分钟内即展现出快速的表面液化，生成大量微液滴（图2D）。热力学上，与U-Fiber均匀缓慢的水传输不同，液态水优先进入流动阻力较低的大孔，随后在杨-拉普拉斯压差驱动下迁移至小孔饱和。层级孔结构优化了这一过程，促进了快速水传输并提升了吸附动力学。多相流体动力学模拟进一步验证了层级孔网络中的顺序流动：水首先进入大孔，随后逐渐填充小孔（图2E）。

单纤维吸附性能：快速动力学与高容量

动态蒸气吸附系统测试结果显示，HOP-Fiber-4在25°C下的三段蒸气吸附等温线展现出高效的水吸收能力，特别是在低湿条件下：在15%相对湿度下吸水率达1.16 g/g，30%相对湿度下达1.50 g/g，60%相对湿度下达2.68 g/g（图2G）。得益于快速表面液化和高效液体传输的协同效应，HOP-Fiber-4的吸附动力学显著加快：在15%、30%和60%相对湿度下达到80%饱和吸水率的时间分别仅为64分钟、19分钟和20分钟，优于大多数现有吸附剂。此外，该纤维在60°C温和加热下即可实现高效水释放，并在30%相对湿度下每天可完成36个完整的吸附-脱附循环，每个循环仅需20分钟，展现出优异的循环稳定性和长期运行能力。

图2. 单纤维的空气取水性能。(A) HPC在水和强碱性纺丝溶液中线团-球粒转变的示意图。(B) HPC在不同HPC和LiOH浓度下的流体力学半径，显示临界相变边界。插图SEM图像显示所得孔结构：左图为均匀纳米孔纤维，右图为层级孔纤维。(C) 吸附过程示意图，始于表面液化，随后液态水被吸收进入大孔，再从大孔传输到小孔。(D) 光学显微镜图像显示HOP-Fiber在25°C、30%相对湿度下的湿气收集过程。箭头标记区域强调快速表面液化，显示表面形成大量水滴。矩形标记区域透明度明显增加，显示水向内部孔的高效传输。(E) HOP-Fiber内水传输的模拟图，揭示捕获的水因流动阻力较低而优先进入大孔，随后迁移至小孔饱和。可视化图中绿色表示纤维骨架，蓝色表示捕获的水。(F) U-Fiber和不同HPC/纤维素比例的HOP-Fiber在25°C、30%相对湿度下的吸水率。(G) HOP-Fiber-4在不同相对湿度条件下的动态水蒸气吸附-脱附过程。

可规模化织物：突破放大瓶颈

传统粉体和大块吸附剂在放大到更大面积或更厚组装体时，由于传质阻力增加和传输距离延长，吸附动力学显著下降。为克服这一放大障碍，研究团队利用HOP-Fiber-4编织成织物，单纤维的层级孔隙率与编织结构内部互联通道协同作用，确保了整个织物内的高效水扩散（图3A）。对400 cm²的HOP-Fiber-4编织织物进行吸附测试，结果显示其在30%相对湿度下1小时内的吸水能力达1.04 g/g，约为1 cm²样品性能的75%（图3B）。即使在增加扩散距离的多层织物中，24层HOP-Fiber-4织物仍能在30%相对湿度下1小时内达到0.96 g/g的吸水率（图3C），展现了优异的可扩展性。

工业规模化生产与机械耐久性

研究团队使用工业标准设备实现了HOP-Fiber-4的规模化生产，制造速率达509米/小时（图3D）。为降低制造成本，大规模生产中采用NaOH替代LiOH，在NaOH/尿素水溶液体系中同样能有效溶解纤维素。规模化生产的纤维与实验室样品在吸附性能上保持高度一致（图3E）。更为重要的是，这些AWH织物展现出优异的机械耐久性，可在滚动、折叠和扭曲等多种形变下保持结构完整性和功能稳定性（图3F）。综合比较吸附吸水率、吸附动力学、材料成本、可扩展性和可持续性等实际AWH应用的核心要素，HOP-Fiber织物在各方面均展现出明显优势（图3G）。

图3. 可规模化纺丝、编织及纤维织物的空气取水性能。(A) 用于空气取水的编织织物示意图及SEM图像。(B) 不同面积织物在25°C、30%相对湿度下1小时内的吸水率。(C) 不同层数织物在25°C、30%相对湿度下1小时内的吸水率。(D) HOP-Fiber-4工业化规模制备的照片。(E) 实验室规模和规模化生产的HOP-Fiber-4在30%相对湿度下吸水率比较。规模化生产达到509米/小时的制造速率。(F) 机械坚固的AWH织物在滚动、折叠和扭曲等多种形变下展现出耐久性。(G) 不同吸附剂材料在实际AWH应用核心要求方面的定性比较，包括吸附吸水率、吸附动力学、材料成本、可扩展性和可持续性。 

可穿戴原型与户外实测验证

为验证实际应用可行性，研究团队将AWH织物与便携收集模块集成为可穿戴原型。该原型包括带有四个湿气收集单元的AWH服装、可折叠冷凝器、加热器、直流电源、循环冷却系统和充气装置。在户外测试中，用户穿着AWH服装进行跑步、登山和远足等日常活动（图4A、4B）。2024年3月26日至27日在中国西昌进行的实地测试中，系统在20%至80%的相对湿度范围内实现了每公斤吸附剂每日3.76至7.45升的比水生产率，实际收集水量达410至894毫升（图4C、4D）。此外，在美国奥斯汀和中国成都的不同气候条件下的测试进一步验证了该系统在全球不同区域的适应性（图4E）。基于全球年平均相对湿度数据估算，该AWH纤维服装材料在全球范围内的日水产量潜力巨大（图4F）。

图4. 纤维服装的户外空气取水测试。(A) 用户穿着AWH服装进行日常活动的照片。(B) 轻便便携式集水系统组件的照片。(C) 中国西昌户外测试中集水过程中的水凝结及最终收集清洁水的照片。(D) 上图：2024年3月26日0:00至3月27日0:00西昌测量的温度和相对湿度数据。中图：每个循环中的吸水、水释放和集水量。下图：户外测试中每个循环的水产量及AWH服装的最终质量相关日水生产能力。(E) AWH服装在不同地点的日水生产能力：中国西昌测试（2024年3月26日0:00至3月27日0:00）、美国奥斯汀测试（2024年10月4日20:00至10月5日20:00）和中国成都测试（2024年6月4日14:00至6月5日14:00）。(F) 基于年平均相对湿度估算的AWH纤维服装材料的全球日水产量。

未来展望：迈向可持续、可穿戴的清洁水解决方案

这项研究通过阐明结构-功能设计原则，为AWH吸附剂的发展提供了新思路，推动了该技术向资源受限和移动环境中的规模化、可穿戴应用迈进。该层级结构纤维织物策略不仅克服了传统吸附剂在放大过程中面临的动力学限制，还实现了从分子构象调控到宏观可穿戴系统的跨尺度设计。这一成果有望惠及旅行者、野外工作者和军事人员等群体，为全球水可持续性作出贡献。随着技术进一步优化和推广，基于个人穿戴的空气取水设备或将成为应对全球水危机的重要解决方案之一。