利用太阳能发电设施淡化海水，可以获得矿物质和淡水，以实现人类文明的可持续发展。例如，水凝胶在太阳能水蒸发潜力方面显示出巨大的力量，尽管高效和特定的目标提取方法仍有待扩展。
在最近发布在《科学进展》上的一份报告中，Hanxue Liang和中国化学与材料科学学院的一组研究人员描述了高效海水淡化的过程以及使用智能DNA水凝胶提取铀的具体方法。
DNA水凝胶促进了水的蒸发，由于太阳能界面蒸发驱动的快速离子传输和高选择性，铀基特异性DNA水凝胶对天然海水中铀的捕获能力高达5.7毫克/克。这些发展可以使适合未来海水处理的易于使用的设备成为可能。
人类社会可以通过获得充足的淡水和能源来实现可持续发展。在过去的几十年里，淡水日益稀缺，对发展中社会构成威胁，人口和经济增长的快速增长也对可持续发展构成挑战。
为了方便获取淡水，生命科学家利用海水淡化等海洋资源占地球上总含水量的97%。
研究人员已经开发了太阳能海水淡化，作为一种很有前途的方法，可以在不消耗额外能源的情况下生产海水。除了海水淡化外，还可以同时提取海洋中丰富的各种有价值的矿物和资源，包括铀和锂。
水凝胶是由疏水性 3D 交联聚合物网络和大量水制成的软材料，具有柔软的独特性质、多功能性和出色的生物相容性。
基于水凝胶的生物材料具有超高的水蒸发率。在这项工作中，Liang和团队创建了一种基于DNA水凝胶的太阳能蒸发系统，用于从天然海水中提取淡水和靶向金属离子。科学家们通过一步共聚过程合成了由功能性DNA拴系聚丙烯酰胺网络制成的DNA水凝胶。
研究人员将氧化石墨烯引入水凝胶中，以制造GO负载的DNA水凝胶，这些水凝胶很容易通过简单的热驱动洗脱方法回收，以测试生产淡水的可行性，并从天然海水中提取有价值的金属离子。
Liang及其同事在聚合前使用丙烯酰胺、N，N'-亚甲基双丙烯酰胺、丙烯酸酯修饰的DNA，在一步共聚反应中制备了负载氧化石墨烯的DNA水凝胶。
研究人员应用共聚焦显微镜来研究制备材料的微观结构。研究小组注意到，在引入氧化石墨烯后，DNA水凝胶的机械性能有所改善。将该化合物添加到DNA水凝胶中可实现高效的太阳光吸收特性。这些材料表现出宽带和高效的吸收波长范围。
研究团队探索了生物材料在高效太阳能水蒸发方面的能力。其中材料与亲水性聚合物链形成氢键，以将水分子限制在亲水性水凝胶结构中。
该过程导致形成三种类型的水分子，包括游离水、中间水和结合水，其中中间水从水凝胶中逸出所需的能量比从本体液相中转移的自由水所需的能量更少。
材料中的亲水基团通过调节包封水分子的氢键结构，促进了水分子的活化，降低了水的蒸发能。研究人员使用拉曼光谱来区分纯水中和水凝胶材料中的各种水结构。
铀作为核燃料的关键元素分布在海洋中，与陆地相比，其丰度很高。海水中铀的主要形式是铀酰离子，浓度低，其中元素与包括钒在内的许多干扰离子共存。
含有短DNA寡核苷酸的DNA酶或催化DNA可以提取稀有金属离子，如铀酰离子，因为它们具有高亲和力和特定的金属离子结合特性。
为了促进这一过程，该团队用铀酰选择性DNA酶的序列编码了掺入氧化石墨烯水凝胶中的DNA单元，以提取铀酰离子。对照实验表明，没有DNA的水凝胶具有低得多的铀吸附能力。
该生物材料还能够在钒离子存在下对铀进行选择性，并且 DNA 的掺入为铀吸附的选择性提供了关键。研究结果概述了生物材料在海水淡化和铀提取过程中长期应用的广泛抗生物污染活性。
Liang及其团队进行了数值模拟，以比较离子通过扩散的迁移，并注意到照明时存在温度梯度。温度梯度增加了离子的传输，以促进整个水凝胶构建体中的过程。
生物材料中的 DNA 单元选择性地提取不同的靶标以建立锂离子依赖性 DNA 酶，以及使用智能 DNA 水凝胶提取钠、钾和镁金属离子。
氧化石墨烯负载的DNA水凝胶生物材料在天然海水中提取铀酰方面表现出优异的能力，但在太阳光照下，吸热过程的提取能力有所增加。使用生物材料提取铀的性能与使用先进提取材料获得的性能一样好。
Liang及其团队在渤海通过电感耦合等离子体发射光谱测试了生物材料在天然海水中的性能。结果表明，使用太阳能生物材料集成装置，能够同时从天然海水中超快且高度选择性地蒸发水。
通过这种方式，Hanxue Liang及其团队发明了一种基于DNA水凝胶的太阳能蒸发系统，以同时促进高速海水淡化和包括铀和锂在内的矿物的高度特异性提取。高亲水性网络结构促进了水凝胶中的水蒸发焓，有效促进了太阳能海水蒸发。
该团队引入了DNA结构，以提高平台的蒸发效率，并促进了具有特定金属离子提取特性的水凝胶，用于光照下的金属离子提取。智能DNA水凝胶有望用于淡水收集和海水中提取铀酰，以及富铀基核废水处理。
