聯(lián)合國(guó)2020年《全球水資源開(kāi)發(fā)報(bào)告》中就指出，全球有近50%的人口處于不同程度的缺水狀態(tài)。淡水是自然生物賴以生存的重要依賴，但淡水資源僅占全球水資源的3%，如何有效獲取淡水資源具有重要意義。水霧是淡水資源存在的主要形式之一，其分布廣泛且可循環(huán)再生，因此開(kāi)發(fā)可高效、穩(wěn)定收集水汽的功能材料有望改善潮濕但缺水地區(qū)的淡水短缺問(wèn)題，具有重要價(jià)值。
自然界中存在一些可依靠自身獨(dú)特結(jié)構(gòu)直接從潮濕環(huán)境中汲取水分的生物，為水汽收集材料的設(shè)計(jì)提供了思路。近年來(lái)，四川大學(xué)化學(xué)學(xué)院宋飛教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了系列可高效霧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：受納米布沙漠甲蟲背部結(jié)構(gòu)啟發(fā)的抗菌超親水/超疏水圖案化纖維素膜（ACS Sustainable Chem. Eng. 2018, 6, 14679?14684），其集水效率可達(dá)到1043 mg cm –2 h –1。但疏水表面長(zhǎng)時(shí)間暴露在高濕環(huán)境中易喪失疏水性，不利于長(zhǎng)期穩(wěn)定使用。受豬籠草潤(rùn)滑表面所啟發(fā)，通過(guò)在纖維素膜表面構(gòu)筑微納多級(jí)結(jié)構(gòu)并灌注硅油（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 12373?12381），有效提升了表面的儲(chǔ)油穩(wěn)定性和持續(xù)集水性能。
然而，潤(rùn)滑表面普遍疏水，集水效率不高。盡管可選擇親水潤(rùn)滑油構(gòu)建潤(rùn)滑表面，但集水性能的提升幅度仍十分有限。為此，該團(tuán)隊(duì)將多種生物特性相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了水收集四個(gè)過(guò)程（包括提高水汽捕獲、促進(jìn)微液滴融合、加速液體運(yùn)輸、減少收集屏障）的協(xié)同優(yōu)化（圖1），制備了具有高水收集性能的圖案化潤(rùn)滑-超親水表面。
圖1. 基于四重仿生的水汽收集全過(guò)程優(yōu)化示意圖
圖2. 超親水凸起結(jié)構(gòu)的制備
作者將呼吸圖案法與噴墨打印技術(shù)相結(jié)合，制備了具有超親水規(guī)則凸起結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定潤(rùn)滑區(qū)的潤(rùn)滑-超親水圖案化表面（圖2）。通過(guò)對(duì)比表面潤(rùn)濕性差異對(duì)水汽收集過(guò)程的影響（圖3），發(fā)現(xiàn)超親水區(qū)域可有效提升表面的水汽捕獲能力，集水效率大幅提高。
圖3. 表面潤(rùn)濕性差異對(duì)水汽收集性能的影響探究
觀測(cè)水收集過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，相比于仿甲蟲超疏水-超親水圖案化表面，該工作中潤(rùn)滑液依附超親水凸起結(jié)構(gòu)形成了彎液面，產(chǎn)生的毛細(xì)作用力驅(qū)動(dòng)捕獲的微液滴向超親水凸起區(qū)域自發(fā)運(yùn)動(dòng)并融合。作者還研究了超親水區(qū)域圖案類型以及分布對(duì)于水汽收集的影響，發(fā)現(xiàn)楔形形貌有利于形成連續(xù)的水輸送通道，進(jìn)一步提升了對(duì)液滴的運(yùn)輸速度。通過(guò)調(diào)整楔形超親水圖案的分布（圖4），作者發(fā)現(xiàn)恰當(dāng)?shù)膱D案分布才有利于獲得更高水收集效率。
圖4. 超親水圖案分布對(duì)水滴脫附收集的影響探究
基于上述結(jié)果，受蕨類植物啟發(fā)，作者進(jìn)一步優(yōu)化超親水圖案，制備的仿蕨圖案化表面可以自發(fā)將融合水滴向“根部”輸送（圖5），既保證了充足的超親水區(qū)域用于水汽捕獲，又有效降低了水收集屏障。該表面實(shí)現(xiàn)了水汽捕獲、融合、運(yùn)輸以及收集四個(gè)過(guò)程的同步優(yōu)化，水收集效率達(dá)到2166±71 mg cm –2 h –1，相比于單一潤(rùn)滑表面提升幅度達(dá)到139%。
圖5. NAIPS表面水汽收集
該研究工作以“A Quadruple-Biomimetic Surface for Spontaneous and Efficient Fog Harvesting”為題發(fā)表于Chemical Engineering Journal。論文第一作者為博士研究生馮蕊，通訊作者為宋飛教授和王玉忠教授，該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金（52073189）等項(xiàng)目的資助。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894721017046
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