水是生命之源，即使在科技發(fā)達(dá)的今天，我們的技術(shù)仍然無(wú)法滿足所有人的用水需求。在我們的藍(lán)色星球上，還有許多人因?yàn)闊o(wú)法獲取廉價(jià)飲用水而不得使用不潔凈的水。其中，依靠直接飲用地表水生活的人數(shù)就占到了1.4億之多1。潔凈的飲用水難以普及的重要原因是目前的反滲透、蒸餾、生化處理等凈水方式，無(wú)論是在價(jià)格成本、能量消耗以及維護(hù)成本上都難以滿足落后、偏遠(yuǎn)地區(qū)的需求。生活在赤貧邊緣的人們又怎么能用得起這些現(xiàn)代化設(shè)備來(lái)獲取飲用水呢？因此，發(fā)展一種設(shè)備造價(jià)低廉，維護(hù)工藝簡(jiǎn)便且不需要任何外加能量的淡水收集方法，不僅可以成為我國(guó)邊緣地區(qū)飲用水資源的一種有效補(bǔ)充方法，更是全世界飽受缺乏淡水危機(jī)之苦的人民的福音。
自然界的生物經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的演變，通過(guò)“物競(jìng)天擇，適者生存”的層層篩選，進(jìn)化出了具備高效率、低能耗的生存方式，其中尤其體現(xiàn)在動(dòng)植物特殊的汲水能力之上。生活在沙漠的動(dòng)植物早已掌握了從空氣中獲取水源的絕招。在一些干旱多霧的地區(qū)（如智利北部或美國(guó)太平洋海岸等地），高大的植被依靠攔截海洋吹拂到大陸的空氣中的霧滴以獲得淡水2-5。從遠(yuǎn)古時(shí)期以來(lái)，生活在這些地方的人類就一直以霧水作為有效的飲用水源，受當(dāng)?shù)刂参飵?lái)的靈感，人類很早就學(xué)會(huì)了“靠樹(shù)吃水”6——例如加納利群島的居民幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)一直用能夠收集霧氣的樹(shù)作為可用水的唯一來(lái)源7。如此可知，從霧氣中獲取淡水是一種在干旱或半干旱地區(qū)的有效解決方式8-9。向自然界學(xué)習(xí)，通過(guò)解析在具有高效集霧能力的動(dòng)植物的生存“秘籍”，就有希望指導(dǎo)我們?cè)O(shè)計(jì)出兼具高效、低耗的霧水收集器。
圖一：被用來(lái)“靠樹(shù)吃水”的“噴泉樹(shù)”，這種樹(shù)木可以攔截空氣中的水分，每天捕獲的水可以成為當(dāng)?shù)厝巳斓娘嬘盟畞?lái)源。
近年來(lái)，隨著科學(xué)家們不斷的探索，自然界中可以高效收集霧水的生物被越來(lái)越多地研究，而其中針對(duì)“霧滴收集、液體輸運(yùn)、水分富集”的機(jī)理也被逐漸揭示，并指導(dǎo)科研工作者設(shè)計(jì)新穎的仿生霧水收集界面及器件。
圖二：可以從空氣中捕獲水分的生物原型，結(jié)構(gòu)探究以及仿生高效霧水收集器10-12：a）沙漠甲蟲(chóng)；b）沙漠仙人掌；c）蜘蛛絲。?
其中最為著名的要屬可以在沙漠中獲取水分的霧姥甲蟲(chóng)。每個(gè)沙漠的清晨，小甲蟲(chóng)都會(huì)找到較高的沙丘，抬起它的背部迎接來(lái)自海岸的霧氣流。隨著霧水的逐漸凝結(jié)，甲蟲(chóng)也汲取了一天所需要的水分。2001年，AndrewR. Parker等人就提出了沙漠甲蟲(chóng)的霧氣收集原理13，這種神奇的小生物具有親疏水結(jié)合的背部結(jié)構(gòu)，暴露在濕潤(rùn)霧流中時(shí)，它傾斜自己的身體以攔截霧氣，水滴可以在親水的鼓包上凝結(jié)并生長(zhǎng)到整個(gè)親水區(qū)域的大小，之后隨著液滴的增加，水球的表面能逐步上升，當(dāng)液滴的表面能逐漸大于界面的表面能時(shí)，液滴會(huì)流到疏水的界面，進(jìn)而滾落至其口中。進(jìn)而，作者還將小玻璃球嵌入涂油熱蠟的顯微鏡載玻片中以模擬這種獨(dú)特的表面結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)霧水收集效率得到提升。這種親疏水結(jié)合的霧氣收集方式讓科學(xué)家們獲得了極大靈感——親水區(qū)域高效捕獲霧滴、疏水區(qū)域快速傳輸液體。通過(guò)在平面上構(gòu)建做出親疏水結(jié)合的圖案，科研工作者也進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了此類仿甲蟲(chóng)結(jié)構(gòu)的霧/露水收集界面，例如集水織物14，集霧板材15，精密冷凝器件等16。
圖三：仿沙漠甲蟲(chóng)親疏水結(jié)合霧水收集器：a）沙漠甲蟲(chóng)的表面蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)?b）采用親疏水結(jié)合的仿沙漠甲蟲(chóng)二維平面結(jié)構(gòu)?c）采用表面凸起的精密冷凝器件。?
正如任何欣賞過(guò)掛滿露珠的蜘蛛網(wǎng)的人所發(fā)現(xiàn)的，在晨霧中結(jié)滿的蜘蛛絲可以有效地收集水分，并將它們凝結(jié)成小液滴，像珍珠一樣串在蛛網(wǎng)上。為了研究這種神奇現(xiàn)象的原理，通過(guò)深入觀察，在2010年，由江雷院士領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)在一篇Nature中指出，可以捕獲晨霧中水汽的蛛絲纖維是一種獨(dú)特的錐形結(jié)構(gòu)，而且只有在潤(rùn)濕之后才能形成。這種錐形結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生拉普拉斯壓力的差異，結(jié)合各向異性結(jié)構(gòu)特征所帶來(lái)的表面能量梯度共同作用，可以實(shí)現(xiàn)在蜘蛛絲主軸結(jié)周圍的水滴連續(xù)冷凝和定向收集17。受此啟發(fā)，江雷院士團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了模仿蜘蛛絲結(jié)構(gòu)特征的人造纖維，并且制備了一系列帶有紡錘結(jié)的人造蜘蛛絲。通過(guò)巧妙地設(shè)計(jì)表面納米結(jié)構(gòu)和的計(jì)算推導(dǎo)，作者證明通過(guò)優(yōu)化纖維表面的曲率，加以化學(xué)和粗糙度梯度的配合，就可以實(shí)現(xiàn)微小液滴的可控輸運(yùn)。這項(xiàng)研究將為設(shè)計(jì)智能定向驅(qū)動(dòng)微小液滴和高效霧水收集上提供一種新的思路。對(duì)未來(lái)智能材料和設(shè)備的設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的借鑒意義18。
圖四：a）濕潤(rùn)狀態(tài)下的蛛絲；b）濕潤(rùn)狀態(tài)下蜘蛛絲結(jié)構(gòu)；c）錐形結(jié)構(gòu)可以通過(guò)拉普拉斯壓將液滴定向輸運(yùn)到紡錘結(jié)的位置。
仙人掌是沙漠中的生存能手，其多肉的內(nèi)莖和針狀的葉子可以最大程度地保證水分的貯存。很多朋友從兒童時(shí)期就對(duì)這個(gè)“刺頭”充滿了好奇，科學(xué)家們也是如此。盡管早在1986年，Nobel等人就對(duì)仙人掌在極端干旱環(huán)境下的生存能力進(jìn)行了系統(tǒng)地調(diào)查研究19，但多是從植物學(xué)角度剖析它對(duì)水分的攝取及保存的。通常認(rèn)為，仙人掌在自然進(jìn)化中逐漸形成了自己獨(dú)特的生存模式：它的莖肥厚多汁，有發(fā)達(dá)的薄壁組織細(xì)胞可以用于儲(chǔ)藏水分；并且它的表皮具有厚而硬的蠟質(zhì)層，還生有密集的絨毛覆蓋，從而可以避免和減少陽(yáng)光照射，降低水分蒸發(fā)。不僅如此，仙人掌還具有強(qiáng)大的根部結(jié)構(gòu)，可以在深入地下數(shù)十米找到并吸收水分，一旦遇到降雨，它就會(huì)在表層長(zhǎng)出許許多多的新根，大量吸水。并且它的大根還有很厚的木栓組織保護(hù)，即使在灼熱的沙石上生活也不會(huì)被干死。同時(shí)針狀的葉子可以降低水分的蒸騰，實(shí)現(xiàn)高效保水的能力。2012年，Ju等人通過(guò)深度觀測(cè)仙人掌在霧氣中的液滴收集行為，首次闡述了仙人掌錐形針刺和親水絨毛在霧滴捕獲和液體輸運(yùn)的機(jī)理，并提出了此類沙漠植物空氣取水的全新機(jī)理。仙人掌具有錐形結(jié)構(gòu)的疏水針刺可以將攔截微米級(jí)的霧滴，所收集的小液滴在拉普拉斯壓的作用下定向從尖端到根端移動(dòng)，最終和底部親水絨毛相遇而被迅速吸收，為其在干旱多霧地區(qū)的生長(zhǎng)提供水分補(bǔ)充20。
圖五：a）液滴在仙人掌針刺上的定向輸運(yùn)；b）液滴受拉普拉斯壓的作用下從尖端定向輸運(yùn)到根端，并在根部被親水絨毛迅速吸收。
?受仙人掌疏水錐刺針刺和親水絨毛啟發(fā)，一系列基于錐形疏水針刺陣列12, 21，以及親疏水協(xié)同結(jié)構(gòu)的霧水收集器件被設(shè)計(jì)出來(lái)22-23。這些仿生霧水收集器件不僅可以高效的捕獲液滴，還能夠定向輸運(yùn)液體，最終實(shí)現(xiàn)淡水的貯存。具有定向輸運(yùn)液體能力的界面，可以有效的避免收集液體的二次蒸發(fā)，顯示出更加可靠產(chǎn)水能力22, 24。為了增強(qiáng)集霧器捕獲液滴的能力和自發(fā)液體輸運(yùn)能力，本課題組利用突起直行針刺結(jié)構(gòu)與親/疏水條帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行整合，設(shè)計(jì)了具有多層次親/疏水協(xié)同結(jié)構(gòu)的高效霧水收集器，實(shí)現(xiàn)了所收集液滴的逆重力輸運(yùn)。在親/疏水Janus結(jié)構(gòu)的幫助下，突起結(jié)構(gòu)所收集的液體將會(huì)在自身表面能的推動(dòng)下主動(dòng)向材料內(nèi)部輸運(yùn)，實(shí)現(xiàn)了液體的收集+貯存的全過(guò)程25。此類設(shè)計(jì)也利用對(duì)稱的直針簡(jiǎn)化了類仙人掌的錐形針，實(shí)現(xiàn)了效果相當(dāng)?shù)撵F水收集過(guò)程，推動(dòng)了此類仿仙人掌集霧界面向?qū)嶋H應(yīng)用進(jìn)發(fā)。
圖六：仿沙漠仙人掌的霧水收集器：a）磁響應(yīng)的錐形仿仙人掌集霧器；b）通過(guò)拉普拉斯壓驅(qū)動(dòng)的“自泵”霧水收集器；c）親/疏水Janus結(jié)構(gòu)的定向霧水收集器；d）平面結(jié)構(gòu)的高效低耗霧水收集界面。?
為進(jìn)一步降低仿仙人掌集霧器的成本和制備難度，天津大學(xué)化工學(xué)院曹墨源課題組近期通過(guò)將仙人掌錐刺和我國(guó)傳統(tǒng)剪紙藝術(shù)相結(jié)合，提出了一種將三維的仙人掌針刺結(jié)構(gòu)壓扁為平面結(jié)構(gòu)的高效低耗霧水收集界面。這種霧水收集器的設(shè)計(jì)只需剪紙和浸涂?jī)刹骄涂梢酝瓿芍苽洹２粌H實(shí)現(xiàn)了高效液滴捕獲、液滴定向驅(qū)動(dòng)和收集，還可以降低制備難度和減少材料成本。此類仙人掌剪紙界面，在比傳統(tǒng)集霧器成本降低十倍以上的同時(shí)，在收集效率上比豎琴狀界面提高了1.6倍，比純平面霧水收集界面提高了11倍。此外，熱蠟浸涂的處理工藝還賦予了這種霧水收集器在炎熱地區(qū)自修復(fù)的能力。這項(xiàng)研究在為仿生不對(duì)稱界面實(shí)現(xiàn)流體操控的研究提供了范例，為霧水收集、蒸汽冷凝提供新方法的同時(shí)，也為干旱而缺水的地區(qū)提供了一種可行的解決思路26。
自然界的啟發(fā)為人類帶來(lái)了無(wú)窮無(wú)盡的靈感，基于自然界生物啟發(fā)而提出的霧水收集界面已經(jīng)取得了許多進(jìn)展，在設(shè)計(jì)原則和收集機(jī)理方面已經(jīng)奠定了一定的基礎(chǔ)。隨著效率不斷增加，成本也在不斷降低，仿生霧水收集器將會(huì)更多的應(yīng)用于干旱多霧地區(qū)、高山密林地區(qū)的淡水獲取，可以作為現(xiàn)在飲用水生產(chǎn)方式的重要補(bǔ)充，為更多人類提供清潔、可靠的飲用水源。
來(lái)源：高分子科學(xué)前沿
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