【科普系列】浅谈仿生材料的集水应用

背景

      几十亿年的生物进化历程使得自然界生物体的某些部位巧夺天工，在长期的生命进化过程中，生物合成了种类繁多、性能各异的生物材料来适应环境，维系自身的生存与发展。仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而研制开发的材料（图1为荷叶仿生材料）。通常把仿照生命系统的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料。仿生材料研究自20世纪80年代以来在国际上受到广泛重视，在各个领域都取得了优异的进展。今天我们来谈谈仿生材料在集水领域的应用。

图1 荷叶仿生材料（图片来源于百度百科）

常见的具有集水能力的生物有哪些？

       自然界中的动物和植物，有相当一部分在经过若干年的进化之后表现出集水能力。例如在纳米布沙漠中，甲虫、蜘蛛、仙人掌和猪笼草等都进化出了从雾气中获取水分的特性来适应干旱的地理环境（图2）。另外，绿色树蛙和澳大利亚沙漠蜥蜴这两种冷血动物通过控制温度来响应外界环境，以及亲水或者疏水的体表来达到集水的目的。这些生物具有多样的集水机理，丰富了相应的仿生材料的发展。

图2 常见的具有集水特性的生物

（DOI：10.1002/smll.201602992）

相应的仿生材料的制备

蜘蛛丝仿生材料

       Bai等^[1]研发了一种用于大规模制造集水功能仿生蜘蛛丝的方法（图3），在制备过程中，为避免重力诱导的液体流动，将纤维水平固定在聚合物溶液储罐中，两根毛细管作为导向器，使纤维从中穿过，并在一端与滚轴电机相连。当纤维被电机以一定的速度从聚合物溶液中拉出时，纤维表面被覆盖一层聚合物膜，该膜在瑞利不稳度的作用下破碎并聚集成液滴状，液滴凝固在纤维表面形成周期性纺锤节。随后，这种材料的定向集水能力也得到了验证，该研究对大规模制备具有集水功能的仿生蜘蛛丝纤维具有重要意义。

图3 仿生纤维的制备与集水

（DOI：10.1002/smll.201101408）

沙漠甲虫仿生材料

       受纳米布沙漠甲虫亲水-疏水表面集水能力的启发，Yin等^[2]提出了一种简单、低成本制备超疏水-亲水混合表面的方法（图4），由飞秒激光制备的聚四氟乙烯纳米粒子沉积在超疏水铜网上，并与亲水铜片结合形成混合表面。与均匀(超)疏水或(超)亲水表面相比，所制备的表面具有更高的水分收集效率。

图4 飞秒激光制备亲疏水表面

（DOI:10.1039/c7nr05683d）

       Gao等^[3]率先将亲水性粘胶纤维与疏水性丙纶纱配合普通商用试剂编织成具有亲水性-超疏水性表面的织物（图5），这种织物具有良好的集水性能。更重要的是，该种织物可循环使用10次。其表面在经过2000次的磨损试验后，疏水区域接触角仍然超过140°，亲水区域接触角保持为0°。这项工作为未来纺织业与环境保护之间架接了新的桥梁。

图5 集水无纺布的制备

（DOI：10.1021/acssuschemeng.8b01387）

仙人掌仿生材料

       Peng等^[4]将受仙人掌启发的锥形结构与磁响应柔性锥阵列相结合（图6），并研究了在无风条件下，磁性阵列对空气中雾水的收集效率。在外加磁场作用下，由于拉氏压差的存在，静电雾可以自发地、连续地被捕获并从椎体顶端传输到椎体基部。这项工作为无风地区雾水的收集工作提供了新的途径。

图6 磁响应柔性锥阵列制备与集水

（DOI：10.1002/adfm.201502745）

猪笼草仿生材料

       江雷团队^[5]研究发现，在猪笼草“瓶口”的边缘外表面存在连续的、定向的水滴输运现象。这是由于其多尺度结构可优化并增强沿输送方向的毛细作用，并通过将反方向运动的水滴前缘固定在适当的位置来防止回流（图7）。

图7 猪笼草开口边缘表面结构

（DOI：10.1038/nature17189）

       受猪笼草的启发，该团队探索并采用两步紫外光刻技术制作了一种新型的斜弧凹槽单向液体扩散表面（图8）。论证了其单向液体扩散能力优于其他表面形态，并对其单向液体扩散机理进行了研究。这种新型的仿生表面结构具有快速、长距离的单向扩散特性，在农业滴灌、无动力输送药物、机械工程中的自润滑等诸多领域都有潜在的应用前景^[6]。

图8 单向扩散表面结构 

(DOI: 10.1002/smll.201601676)

蝴蝶仿生材料

        2007年郑咏梅等^[7]发现大闪蝶的超疏水翅膀具有方向性附着，在重力的作用下，翅膀上的水滴会很容易地沿着一个方向滚落下来。在最近的研究中她们发现，大闪蝶的翅膀可以在没有重力帮助的情况下，在静态和动态两种状态下将雾滴从表面赶走（图9）。在静态条件下，超疏水表面对于雾滴具有较低的黏附力，这使得雾滴的推进更容易。液滴在非对称棘轮状结构上的生长和聚结引入了不平衡的表面张力，使雾滴定向运动；在动态条件下，借助外部能量，雾滴从表面不对称地收缩。在此过程中引入了不平衡的表面张力，使液滴运动具有方向性。

图9 大闪蝶翅膀表面及雾滴运移

（DOI：10.1021/nn404761q）

       目前，由于水污染和淡水资源缺乏等问题，水资源危机越来越受到广泛关注。可利用清洁水资源的分布不均匀，造成全世界超过二十亿人口生活在水资源紧张区域。生产淡水将是解决危机的第一步。虽然海水淡化和废水处理技术是一种有效的方法，但由于技术的适用性、简便性和成本效益等问题，使得一些地方无法使用这种成熟的技术。因此，从大自然获取灵感的仿生集水技术，是一种有效的、低成本的潜在替代方法。

      从大自然中获得创造灵感，我们生产制造了许多具有集水能力的功能材料。但需要指出的是，这些材料的制备和实验过程还都处于初级阶段，大部分材料的集水能力测试实验是在湿度大于60%的条件下进行的，而实际的干旱地区的湿度都在20%以下。所以，在未来的研究中，如何使材料能够在低湿度环境中实现集水应该被重点考虑。另外，除了解决低湿度问题，外部条件如风速、风向、温度以及磁场与集水效率之间的关系也需要进行理论论证。同时，仿生材料还存在表面结构的易损坏失效、不稳固长久以及高成本问题。最后，现有的集水材料主要集中在一维和二维表面，未来应更多的关注三维材料。总的来说，仿生集水材料在解决干旱和偏远地区的缺水问题上，开辟了新的有效途径，在将来也会有更好的发展前景。

参考文献：

[1] BAI H, SUN R Z, JU J, et al. Large-scale fabrication ofbioinspired fibers for directional water collection[J]. Small, 2011,7(24):3429-3433.

[2] YIN K, DU H F, DONG X R, et al. A simple way to achievebioinspired hybrid wettability surface with micro/nanopatterns for efficientfog collection[J]. Nanoscale, 2017:10.1039.C7NR05683D.

[3] GAO Y, WANG J, XIA W, et al. Reusable hydrophilic-superhydrophobicpatterned weft backed woven fabric for high-efficiency water-harvestingapplication[J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering,2018:acssuschemeng.8b01387.

[4] PENG Y, HE Y X, YANG S, et al. Magnetically induced fogharvesting via flexible conical arrays[J]. Advanced Functional Materials, 2015,25(37):5967-5971.

[5] CHEN H W, ZHANG P F, ZHANG L W, et al. Continuous directionalwater transport on the peristome surface of Nepenthes alata[J]. Nature, 2016,532(7597):85-89.

[6] CHEN H W, ZHANG L W, ZHANG P F, et al. A novel bioinspiredcontinuous unidirectional liquid spreading surface structure from the peristomesurface of nepenthes alata[J]. Small, 2017.

[7 LIU C C, JU J , ZHENG Y M, et al. Asymmetric ratchet effect fordirectional transport of fog drops on static and dynamic butterfly wings[J]. ACSNano, 2014, 8(2):1321-1329.

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原文出自：

仿生材料在集水领域应用的研究现状（点击查看）

陈振, 张增志, 杜红梅, 王晗, 王立宁, 丛中卉, 吴浩平

《材料工程》，2020, 48 (3): 10-18.   

DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.001432

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