仿生材料用于雾气水收集

根据近期联合国水危机报告:对于干旱地区的农作物灌溉、牲畜养殖,雾收集技术成为一种前途广、成本低的水收集技术。在过去的十年中,研究人员学习自然界的生物,来模拟雾气的获取。其中生长于纳米布沙漠的Stenocara甲虫极大的激发了许多科学家的灵感。基于其背部独特的含有亲水基阵列的超疏水结构使其具有惊人的雾气水收集能力。均匀的(超)疏水性表面比均匀的(超)亲水性表面具有更高的雾水收集效率,而具有超疏水和超亲水结构的混合表面在收集雾水方面反过来却优于均匀的(超)疏水性表面。基于这种表面的离散特性,在亲水位置的水液滴不断凝结,并且尺寸逐渐变大,但是凝结的水液滴并不会离开亲水位置直到液滴达到一定的尺寸,这主要依靠图案的尺寸和重力从而减缓水的收集动能。最理想的是存在一种泵送机制,可以立即清除落在有亲水基团表面的液滴。

沙特阿卜杜拉国王科技大学王鹏教授及上海大学巫金波教授团队针对这一问题,进行了深入而细致的研究,通过有效的结合在纳米布沙漠生活的Stenocara甲虫和Stipagrostis Sabulicola叶子的巧妙设计,制作了在超疏水表面分布超亲水轨道的各项异性和混合润湿性的表面。在超疏水区域收集的水滴会由于表面润湿性的差异而定向运动并且沿着一定的方向迁移到超亲水的轨道中,导致水收集性能的显着提高。另一方面,所设计的超亲水通道提供了一种直接的泵吸机制,一旦液滴落入,它将不仅成为高速传输通道,而且还引导水滴流到最后的收集点以供最终使用。这种具有亲疏水混合性和各向异性的仿生雾水收集表面集成在收集膜状和滴状雾水以及可以控制方向流量的表面上,所以这种高效的雾水收集性能会拥有一定的发展前景。研究还发现这种表面的雾收集效率具有各向异性,亲水轨道方向与重力方向平行的雾收集效率并没有比垂直的时候好,在一定的亲水轨道宽度和距离比时,甚至表现出更差的雾收集效率。

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