大家好！今天来了解一篇三维蒸发器阵列的研究——《Kirigami enabled reconfigurable three-dimensional evaporator arrays for dynamic solar tracking and high efficiency desalination》发表于《SCIENCE ADVANCES》。全球水资源短缺问题日益严峻，海水淡化成为重要解决方案。然而，传统太阳能蒸发器存在诸多局限。将Kirigami技术引入，成功构建了三维蒸发器阵列。它不仅能动态跟踪太阳，还具备高效海水淡化能力，有望为水资源问题带来新的曙光，下面让我们深入了解这项研究。
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一、研究背景
海水淡化是解决全球水资源短缺的重要途径之一，太阳能作为一种清洁能源，在海水淡化领域具有巨大的应用潜力。传统的太阳能蒸发器存在效率低、不能动态跟踪太阳等问题。Kirigami技术为解决这些问题提供了新的思路，它可以通过简单的切割和变形实现复杂的三维结构，从而提高太阳能的利用效率。本文介绍了一种基于Kirigami技术的可重新配置的三维蒸发器阵列，用于动态太阳能跟踪和高效海水淡化。
二、KHSEs的设计与制备
（一）材料选择
KHSEs基于复合水凝胶膜，该膜包含芳纶纳米纤维（ANF）网络和聚乙烯醇（PVA），通过溶液处理制备。这种材料组合具有优异的机械性能和良好的水传输动力学，为构建高性能蒸发器提供了基础。例如，ANF-PVA-PPy水凝胶膜的拉伸性可达~120%，强度约为~8MPa，模量约为~10MPa，断裂能高达~2900J/m²。这使得水凝胶膜在承受拉伸时不易断裂，能够满足Kirigami结构的变形要求。
（二）制备过程
制备过程包括将ANF分散液和PVA溶液混合，通过刮刀涂布形成膜，然后进行溶剂交换得到水凝胶膜。接着，将水凝胶膜浸入FeCl₃溶液并暴露于吡咯蒸气中，使膜表面涂覆聚吡咯（PPy）实现光热转换。最后，利用激光雕刻在水凝胶膜上制作周期性三角形缺口，得到KHSE。
三、KHSEs的性能研究
（一）机械性能
1、拉伸与强度特性
KHSEs的机械性能对其在实际应用中的稳定性至关重要。ANF-PVA-PPy水凝胶膜在拉伸过程中表现出良好的性能，其拉伸性和强度能够适应不同的工作条件。例如，在80%的拉伸应变下，膜依然能够保持结构完整，这得益于其高断裂能。
2、结构设计影响
结构设计参数如切口角度（θ）、特征长度（l）和膜厚比（l/t）等对KHSEs的变形模式和性能有显著影响。通过改变θ，可调节KHSEs的拉伸性和倾斜角（γ）。当θ=10°时，KHSE在90%应变下拉伸性可达200%，饱和倾斜角为70°。随着θ增加，拉伸性和最大倾斜角减小，这是因为结构刚度（Eₖ₂）在第二阶段增加，使变形更早进入第三阶段（弯曲主导变形）。此外，l/t比值影响倾斜角范围，在相同l下，膜厚度减小会使倾斜角增大，随后达到最佳设计范围的平台，之后因结构刚度降低而使倾斜角下降。
（二）水传输与脱盐性能
1、微图案促进水传输
为提高水传输效率，在KHSEs表面制作了仿生3D毛细管棘齿微图案。这些微图案呈周期性排列，宽度、高度和间距均为250μm，倾斜角为45°。这种结构使水能够在0.3秒内迅速在水凝胶条上完全扩散，相比光滑水凝胶，水传输能力显著增强。
2、局部盐结晶机制
在饱和盐水中太阳能脱盐时，KHSEs的3D结构和表面微图案促进了局部盐结晶。锥形结构使蒸发器尖端蒸汽排出更高效，防止蒸汽积累，促进连续蒸发，导致尖端温度较低，液体更易达到结晶浓度，从而优先在尖端结晶。实验中观察到盐在尖端结晶的现象，且通过拉伸KHSEs可实现盐晶体的自动去除。
（三）太阳能跟踪性能
1、倾斜角与投影面积关系
太阳能跟踪性能直接影响蒸发器的能量吸收效率。KHSEs的投影面积随应变增加而减小。通过调整倾斜角（γ）与太阳高度（α）耦合，可实现有效太阳能跟踪。根据公式AP = Asin(α+γ)[1-tanγ/tan(α+γ)](1+εT)（其中A为初始面积，εT为横向应变），在太阳高度为20°时，70°的倾斜角可保持较大投影面积。当倾斜角减小10°，投影面积因自阴影效应会减少超过30%。因此，选择θ=10°的KHSE用于太阳能跟踪，其在太阳高度20°时能保持88%的投影面积，比平面蒸发器高158%。
2、KHSEs阵列中倾斜角分布
对于3D弹出结构的KHSEs阵列，单元间倾斜角分布需关注。模拟研究发现，阵列中间区域倾斜角分布均匀（变化小于2°），均匀区域大小与阵列行数（Nᵣ）和列数（N₆）有关。通过将阵列划分为多个区域并统计倾斜角，得到经验公式P = {1-[7(2N
c
-1)+N
r
+1]/2N
r
N
c
}×100%，用于确定均匀区域相对总面积的大小。
四、实际测试
