江南大学付少海教授和福州大学赖跃坤教授团队 AFM封面：从单一到多生物协同启发的雾水收集装置 - 当前进展和未来展望

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由于全球气候变化、人口快速增长和日益严重的水污染，全世界数十亿人面临着严峻可用淡水资源缺乏的问题。雾水收集技术是从空气中捕获水蒸气或雾气等，该技术已被应用于多雾地区收集淡水，是一种可持续和低成本获取可饮用淡水的方法。然而，单一仿生雾收集装置无法满足人类快速增长的用水需求，将多个生物的捕雾结构优化到一个收集装置上是该技术新的发展方向。可见，系统总结具有较高雾水收集效率和可持续性多生物协同启发雾水收集装置的研究进展，对提高雾水收集效率具有重要的现实意义。

近期，江南大学付少海教授团队和福州大学赖跃坤教授团队基于课题组前期研究成果(Small 2017, 13, 1602992；ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 50113；J. Mater. Sci. Technol. 2021, 61, 85；J. Cleaner Prod. 2021, 315, 127862；J. Mater. Chem. A 2022, 10, 304), 在Advanced Functional Materials上发表了综述文章，系统总结了多生物协同仿生雾水收集装置的研究进展，主要内容包括：（1）介绍了四种典型生物独特的捕雾机制；（2）介绍了雾水收集过程中雾滴捕获和水滴运输两个过程中的基础理论；（3）介绍了多种仿生捕雾装置的设计思路；（4）探讨了多生物协同仿生雾水收集装置所面临的挑战及未来发展方向。

图1：从单一到多生物协同启发的雾水收集装置示意图

1. 常见的具有捕雾能力的生物

为了在极端干旱的条件下生存，许多生物进化出了特殊的的结构和润湿性，这使得它们能够在雾流中获得宝贵的水分。本文从表面结构到理论分析，具体介绍了甲虫、仙人掌、蜘蛛丝和猪笼草四种典型生物。

纳米比亚沙漠甲虫在雾流到来时，都会找到较高的沙丘，抬起它的背部迎接来自海岸的雾气流。雾气在其背部亲水区域聚集成水滴，然后在重力的作用下沿着疏水区域滑落到甲虫的口腔中，从而获得一天所需要的水分。仙人掌为了适应炎热干燥的气候，减少水分的蒸腾作用，将叶子进化成针状。此外，仙人掌尖刺由方向性倒刺、梯度凹槽和带状毛状体三部分组成。仙人掌棘锥形非对称结构产生的拉普拉斯压差与梯度槽产生的表面能量梯度协同作用，使液滴从尖端到底部定向运动。挂满露珠的蜘蛛网让人们意识到这种一维材料也有其独特的捕雾技巧。研究发现蜘蛛丝在潮湿条件下会形成周期性的纺锤结结构，产生拉普拉斯压力差，结合各向异性结构特征所带来表面能量梯度共同作用，可以实现在蜘蛛丝主轴结周围水滴连续冷凝和定向收集。江雷院士团队在猪笼草口器边缘发现连续的的定向水输送，由于其在微尺度和纳米尺度上的分级结构，诱导了在输送方向上毛细上升增强，并通过钉住任何反向移动的水前缘防止回流，使得站在口器边缘的昆虫能够迅速的滑落到猪笼草的消化袋中。这种独特的润湿特性能够加速雾水收集装置表面液滴的滑落，为雾水收集装置的设计提供了新的思路。

 
图2：常见的具有捕雾能力的四种生物模型：包括纳米比亚沙漠甲虫(a-c)，仙人掌(d-e)，蜘蛛丝(f-i)和猪笼草(j-n)。

2. 雾水收集理论

最常见的雾水收集装置是网格或平面结构，它们大多垂直于雾流放置。雾流在吹向装置表面时，雾滴在与装置碰撞的过程中将动能消耗殆尽，并在表面逐渐凝结。当表面凝结的雾滴重量大于装置对其的粘附力后，液滴在重力的作用下落入容器中。显然，整个雾水收集过程可以分为两个主要部分:雾滴捕获和水滴输送。
雾滴捕获主要与空气动力学相关。当雾流吹向雾水收集装置时，会受到来自装置产生的阻力而产生偏移，即气动偏差(图3a-b)。适当地增加装置的孔径，能够提高雾流与装置直接碰撞的频率，从而增大雾滴捕获的效率。此外，当雾滴吹向装置表面时，沿物体表面垂直方向存在速度梯度，这一薄层称为边界层(图3c-d)。雾流运动的速度与边界层的厚度负相关，而越光滑的表面，边界层越厚。合理的雾水收集装置设计需要将边界层这一因素考虑在内。
当雾滴在装置表面凝结后，如何操控装置表面雾滴的运动，将雾滴运输到收集的容器中是另一个主要问题。图e-h展示了几种常见的操纵液滴定向运动的模型。液滴在润湿性梯度的表面上，会倾向于向亲水性更强的区域移动(图3e-f)。在两端半径差异明显的锥形尖刺上，液滴会自发地从半径较小的一侧向半径较大的一侧移动(图3g)，这是由于锥形尖刺对液滴两端产生的不对称的拉普拉斯压力梯度引起的。而在楔形轨道上，由于液滴两端固液界面张力相等，液滴两端液气界面张力之差是液滴运动的驱动力，且此合力指向楔形轨道的交点。因此，液滴会朝着交点进行定向运动。
图3：(a-d)雾滴捕获机理：(a-b)流向平板或圆柱体的雾流产生偏移，(c-d)平坦表面的边界层比凹凸表面的边界层对比，(e-h)不同润湿性和结构上的水滴输送行为：包括(e)亲/疏水图案化表面，(f)Janus润湿性，(g)锥形尖刺和(h)楔形轨道。

3. 多生物协同启发的雾水收集装置

仅模仿一种生物捕雾特点所制备出的雾水收集装置的捕雾效果是有限的。如纳米比亚沙漠甲虫表面捕捉到的雾直到体积大于临界尺寸才会向下滑落，仙人掌刺和蜘蛛丝可以将捕获的液滴定向聚集在一起，但缺乏从雾流中捕获雾滴的能力，且捕获的液滴在运输过程中不可避免地会再次蒸发，而猪笼草润滑表面可以高效输送雾滴，但在雾流捕获方面能力较弱。为了进一步增加雾水收集效果，有必要制备结合多种生物优势的雾水收集装置。如何在合理利用生物特征并简化制备过程一直是研究者们困惑的问题。

近年来，随着研究的深入，基于多种生物协同启发，通过一些巧妙的设计，各种高效的多生物协同启发的雾水收集装置被广泛报道。王玉忠院士团队在微孔表面集成了四种生物的特性（图4a-f），包括来自纳米比亚沙漠甲虫亲/疏水图案化的表面，用于雾流中的水滴捕捉；来自猪笼草超滑表面，用于水滴快速运输；来自仙人掌尖刺楔形亲水图案，用于膜表面液滴的定向运输；以及受肾蕨启发的不对称排列的阵列，以减少收集屏障。郭志光教授团队除了将亲/疏水图案化表面，超滑润湿性，以及仙人掌尖刺引入材料设计外，还创造性地将与水生植物类似凸起结构引入到雾水收集装置设计中（图4g-i），这种亲水凸起能产生毛细作用力，使各个方向水滴迅速被吸引到凸起位置。

图4：(a-f)沙漠甲虫图案化表面，猪笼草超滑表面，仙人掌尖刺和肾蕨不对称结构启发的复合微孔表面。(g-i)仙人掌尖刺，水草毛细作用，沙漠甲虫图案化表面和猪笼草超滑表面协同启发的多功能微孔表面。

4. 多生物协同启发的雾水收集装置所面临的挑战

（1）雾水收集装置的设计策略主要是以仿生学为基础，寻找更多具有高效雾水收集能力的生物并模拟其结构是提高雾水收集装置捕雾效率的另一个思路。

（2）雾采集的理论和机理有待进一步探讨。尽管有大量的雾水收集装置被报道，但很少有人关注样品结构与雾收集效率间的构效关系，如受纳米比亚沙漠甲虫启发的雾水收集装置中，关于亲水和疏水区域的最佳比例仍然没有定论。

（3）捕雾过程在室外进行的，强风(甚至含沙)可能会对装置造成损坏，因此，如何提高雾水收集装置的耐久性和稳定性需要更多的关注。

（4）报道的捕雾实验大多是在高湿度(60%以上)条件下进行的，这与实际应用(干旱区的极低湿度)有很大差异，未来的研究应该更多地关注低湿度条件。

（5）在长期雾水收集过程中，潮湿的表面容易滋生细菌。此外，功能涂层可能会随着水滴一同滑落，这也可能会污染捕获到的雾水。

（6）有必要建立统一的雾水收集效率评价标准。雾流的速度、温度、湿度等外部因素也会影响雾的收集效率。文献报道的试验条件和参数各不相同，因此很难对这些雾水收集装置的综合性能进行比较。

5. 总结和展望

目前多生物启发的雾水收集装置还相对不成熟，很难实现商业应用。研究人员在多生物启发雾水收集装置设计上遇到了各种各样的挑战，如制造工艺麻烦，结构复杂等。令人欣慰的是这些问题可以通过商业化的制造方法、表面/界面工程和多种功能的组合等策略来合理解决。此外，日益严重水资源短缺也将推动对有前途的雾收集技术的进一步研究和创新。未来的研究将会继续完善雾水收集装置设计，缩小基础研究与应用技术之间的差距。一旦通过进一步的创新实现高效、低成本的雾水收集装置制备，将成为实现人类可持续发展战略的关键。

该研究成果以“Fog Harvesting Devices Inspired from Single to Multiple Creatures: Current Progress and Future Perspective”为题发表在《Advanced Functional Materials》上，第一作者为江南大学博士生余治华，通讯作者为江南大学付少海教授，福州大学赖跃坤教授和朱天雪博士。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202200359

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