用于高效雾气收集的具有多级沟槽结构的仿生“仙人掌刺”

AS水资源危机在全球范围内是一个亟待解决的问题,如何尽可能多的利用潜在的水资源引起了人们广泛的关注。在自然界中,雾气是水的潜在来源之一,一些生物体(甲壳虫、蜘蛛等)能够利用自身的特殊结构有效的从中收集水分以供生存。仙人掌也拥有着一套完美的雾气集水系统,能够实现水滴的定向驱动运输,这为新型雾气收集器或油水分离器的开发利用提供了新的研究思路。然而,目前开展的研究主要集中于如何获得具有浸润性梯度的表面,忽视了表面多级微纳沟槽结构在液滴定向运输系统中的重要作用。

北京航空航天大学吴俊涛副教授和郭林教授及其合作者针对这一问题进行了深入研究。为了模仿仙人掌刺独特的沟槽结构,他们利用高耐热性的聚酰亚胺(PI)材料和低热分解温度的牺牲模板聚苯乙烯(PS),结合便捷高效的静电纺丝方法,制备了具有微纳米沟槽结构的PI纤维。将这种具有微纳结构的PI纤维在锥形针尖表面进行螺旋组装,从而得到了具有多级沟槽结构的仿生“仙人掌刺”。在雾气收集测试中,这种仿生“仙人掌刺”能够在竖直面内多个方向进行雾气的收集和水滴的定向驱动运输,水平运输速率达到360 μm s-1。这种良好的液滴驱动性能源于两方面的协同作用:一方面,当雾气通过纤维时,液滴易被内部纤维束吸收,这种纤维束能够为液滴提供一种毛细作用力;另一方面微纳米沟槽结构的存在能够为驱动液滴产生更小的初始半径,从而增大拉普拉斯压差,以提供驱动力。此外,用这种仿生“仙人掌刺”组装的仙人掌模型也显示出了良好的集水能力,相关结果发表在Advanced Science上(DOI:10.1002/advs.201500047)。这一工作为设计制备新型的雾气收集器或油水分离器等提供了新的思路,在解决水资源危机方面有着潜在的应用前景。