由于人口的增長，對淡水的需求有望不斷增加。淡水短缺影響了全球40％以上的人口，而且預(yù)計還會增加，特別是在世界上一些最貧困的國家，農(nóng)民為滿足農(nóng)業(yè)用水，幾乎排干了中亞的一個巨大的內(nèi)陸湖泊。開發(fā)新的水源將有利于解決淡水短缺問題。
在自然界中，自然生物通過獨(dú)特的結(jié)構(gòu)（如圓錐形的仙人掌簇，周期性的紡錘節(jié)和蜘蛛絲的關(guān)節(jié)，多形棘突棘和瓶子草的毛狀體）將霧逐滴凝結(jié)收和運(yùn)輸。這些自然表面上存在的表面能梯度或結(jié)構(gòu)梯度在集水中起著至關(guān)重要的作用，可以引起的拉普拉斯壓力驅(qū)動收獲的水滴在其干燥表面上的運(yùn)動。這種情況在實(shí)際使用中會導(dǎo)致嚴(yán)重的問題：液滴沿梯度傳輸，需要融合成大液滴，然后沿網(wǎng)，線或基材滑落或滴落，限制了液滴的收集效率。因此，設(shè)計能夠使液滴快速生長并盡快脫落的表面至關(guān)重要。
近日，江雷院士、董智超等人揭示了豬籠草植物的骨膜上水滑層的生成機(jī)理，并證明了多曲率增強(qiáng)的優(yōu)良集水和運(yùn)輸能力。研究表明，豬籠草表面的棘齒上的水滴成核，通過凹坑穩(wěn)步增加的自收集水量以及將獲取的水運(yùn)到溢流處整個蠕動的拱形通道。用水浸透的蠕動表面可以進(jìn)一步將水的傳輸速度提高約300倍。這種多尺度曲率設(shè)計的靈感為水和有機(jī)蒸汽收集器提供了可行性策略，并可延伸至蒸發(fā)塔，化學(xué)工業(yè)，實(shí)驗(yàn)室甚至廚房的應(yīng)用范圍。相關(guān)工作以“Liquid harvesting and transport on multiscaled curvatures”發(fā)表在PNAS上
豬籠草蠕動表面的結(jié)構(gòu)及集水輸水機(jī)理
掃描電子顯微鏡（SEM）圖像豬籠草每個牙齒都有一個圓錐形的形狀（棘齒），相鄰棘齒之間的凹面形成一個凹形結(jié)構(gòu)（張角α為45°），由高度定向?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)的脊組成，沿著棘齒表面規(guī)則分布。在較大的山脊中，亞毫米級和微米級鴨嘴狀腔體結(jié)構(gòu)從內(nèi)側(cè)到外側(cè)排列在彎曲的蠕動表面上，形成拱形通道（曲率半徑約為2.3 mm）。當(dāng)干的蠕動表面在相對濕度為95％的霧中放置時，具有不同曲率的棘輪，凹面和拱形通道結(jié)構(gòu)形成了蠕動表面特征可以連續(xù)快速地收集和輸送冷凝水，這是錐形棘輪所產(chǎn)生的拉普拉斯壓力和凹面處的吸力的協(xié)同輸送作用引起。即使齒尖指向下方，棘輪齒和凹面也會增加拉普拉斯壓力，從而導(dǎo)致凹面中積聚的水在垂直方向自發(fā)地爬到骨膜表面，然后在拱形處溢流，形成薄水層，水輸送速度為7644±766μms-1，比仙人掌脊柱和蜘蛛絲的水輸送速度快200倍。在拱形通道形成“連通容器”后，提高集水效率。棘輪側(cè)的小液滴將聚集在弓形另一側(cè)的較大液滴，在棘輪、凹面和弧形曲率的綜合作用下驅(qū)使水從內(nèi)側(cè)運(yùn)動到外側(cè)，并提高了運(yùn)輸速度。
圖1 豬籠草結(jié)構(gòu)及集水機(jī)理圖
圖2 蠕動結(jié)構(gòu)上的水凝結(jié)和輸送過程
仿豬籠草結(jié)構(gòu)的集水器
作者通過3D打印方法構(gòu)造了一個人造的蠕動式集水器。研究表明，在95%霧中，集水器膜表面從干燥狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌睗駹顟B(tài)需要100秒，每個拱的平均集水速度為3.5×10-3g cm-2·s-1，輸水速度為4.6 mm s-1。100 s之后，覆蓋曲面的收集水充當(dāng)連接收集點(diǎn)和收集點(diǎn)的連通容器，加快了集水效率，在20 s的相同時間內(nèi)，通過濕通道收集了5.4×10-1g的水，平均集水量為6.8×10-2?g cm-2·s-1，幾乎比干燥表面快20倍。冷凝水可以在覆蓋水的表面上高速滑動。濕表面的最大水傳輸速度達(dá)到1.2×103?mm s-1，這比干表面的最大水傳輸速度大260倍。表明蠕動結(jié)構(gòu)表面是一種獨(dú)特的表面模型，可實(shí)現(xiàn)高效率集水輸水。同時，將這種蠕動結(jié)構(gòu)表面引入到PVA水凝膠和PDMS油凝膠時，可實(shí)現(xiàn)水汽和油相蒸氣的收集（收集有機(jī)蒸氣的速率分別為：異丙醇：4.2×10-3g cm-2·s-1；煤油：3.7×10-3g cm-2·s-1；汽油約為3.4×10-3g cm-2·s-1；乙二醇約為2.5×10-3g cm-2·s-1），比受蜘蛛絲，書脊和光滑的水罐表面啟發(fā)的人工收割機(jī)實(shí)現(xiàn)了更高的收割速度和運(yùn)輸速度。
圖3.人造蠕動水收集器。
圖4 多功能液體收集器裝置。
小結(jié)：作者證明了豬籠草的蠕動結(jié)構(gòu)的水分收集機(jī)制，并利用基于多曲率的仿生結(jié)構(gòu)來收集水和油霧。這中結(jié)構(gòu)功能關(guān)系對設(shè)計新穎的材料和設(shè)備，以從霧中收集水并以高效率輸送冷凝水，提供了一種可行性策略。
全文鏈接：
https://www.pnas.org/content/early/2020/09/03/2011935117
