四川大学宋飞教授团队CEJ：四重仿生策略构建自发高效水汽收集表面
联合国2020年《全球水资源开发报告》中就指出，全球有近50%的人口处于不同程度的缺水状态。淡水是自然生物赖以生存的重要依赖，但淡水资源仅占全球水资源的3%，如何有效获取淡水资源具有重要意义。水雾是淡水资源存在的主要形式之一，其分布广泛且可循环再生，因此开发可高效、稳定收集水汽的功能材料有望改善潮湿但缺水地区的淡水短缺问题，具有重要价值。
自然界中存在一些可依靠自身独特结构直接从潮湿环境中汲取水分的生物，为水汽收集材料的设计提供了思路。近年来，四川大学化学学院宋飞教授团队开展了系列可高效雾中集水的仿生水汽收集材料研究工作（ACS Sustainable Chem. Eng. 2018, 6, 14679−14684；Chem. Eng. J. 2019, 369, 1040−1048；ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 12373−12381）。例如：受纳米布沙漠甲虫背部结构启发的抗菌超亲水/超疏水图案化纤维素膜（ACS Sustainable Chem. Eng. 2018, 6, 14679−14684），其集水效率可达到1043 mg cm –2 h –1。但疏水表面长时间暴露在高湿环境中易丧失疏水性，不利于长期稳定使用。受猪笼草润滑表面所启发，通过在纤维素膜表面构筑微纳多级结构并灌注硅油（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 12373−12381），有效提升了表面的储油稳定性和持续集水性能。
然而，润滑表面普遍疏水，集水效率不高。尽管可选择亲水润滑油构建润滑表面，但集水性能的提升幅度仍十分有限。为此，该团队将多种生物特性相结合，实现了水收集四个过程（包括提高水汽捕获、促进微液滴融合、加速液体运输、减少收集屏障）的协同优化（图1），制备了具有高水收集性能的图案化润滑-超亲水表面。
图1. 基于四重仿生的水汽收集全过程优化示意图
图2. 超亲水凸起结构的制备
作者将呼吸图案法与喷墨打印技术相结合，制备了具有超亲水规则凸起结构和稳定润滑区的润滑-超亲水图案化表面（图2）。通过对比表面润湿性差异对水汽收集过程的影响（图3），发现超亲水区域可有效提升表面的水汽捕获能力，集水效率大幅提高。
图3. 表面润湿性差异对水汽收集性能的影响探究
观测水收集过程可以发现，相比于仿甲虫超疏水-超亲水图案化表面，该工作中润滑液依附超亲水凸起结构形成了弯液面，产生的毛细作用力驱动捕获的微液滴向超亲水凸起区域自发运动并融合。作者还研究了超亲水区域图案类型以及分布对于水汽收集的影响，发现楔形形貌有利于形成连续的水输送通道，进一步提升了对液滴的运输速度。通过调整楔形超亲水图案的分布（图4），作者发现恰当的图案分布才有利于获得更高水收集效率。
图4. 超亲水图案分布对水滴脱附收集的影响探究
基于上述结果，受蕨类植物启发，作者进一步优化超亲水图案，制备的仿蕨图案化表面可以自发将融合水滴向“根部”输送（图5），既保证了充足的超亲水区域用于水汽捕获，又有效降低了水收集屏障。该表面实现了水汽捕获、融合、运输以及收集四个过程的同步优化，水收集效率达到2166±71 mg cm –2 h –1，相比于单一润滑表面提升幅度达到139%。
图5. NAIPS表面水汽收集
该研究工作以“A Quadruple-Biomimetic Surface for Spontaneous and Efficient Fog Harvesting”为题发表于Chemical Engineering Journal。论文第一作者为博士研究生冯蕊，通讯作者为宋飞教授和王玉忠教授，该工作得到国家自然科学基金（52073189）等项目的资助。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894721017046
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