水是生命之源，即使在科技發(fā)達的今天，我們的技術仍然無法滿足所有人的用水需求。在我們的藍色星球上，還有許多人因為無法獲取廉價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，無論是在價格成本、能量消耗以及維護成本上都難以滿足落后、偏遠地區(qū)的需求。生活在赤貧邊緣的人們又怎么能用得起這些現代化設備來獲取飲用水呢？因此，發(fā)展一種設備造價低廉，維護工藝簡便且不需要任何外加能量的淡水收集方法，不僅可以成為我國邊緣地區(qū)飲用水資源的一種有效補充方法，更是全世界飽受缺乏淡水危機之苦的人民的福音。
自然界的生物經過億萬年的演變，通過“物競天擇，適者生存”的層層篩選，進化出了具備高效率、低能耗的生存方式，其中尤其體現在動植物特殊的汲水能力之上。生活在沙漠的動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。從遠古時期以來，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，受當地植物帶來的靈感，人類很早就學會了“靠樹吃水”6——例如加納利群島的居民幾個世紀以來一直用能夠收集霧氣的樹作為可用水的唯一來源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。向自然界學習，通過解析在具有高效集霧能力的動植物的生存“秘籍”，就有希望指導我們設計出兼具高效、低耗的霧水收集器。
圖一：被用來“靠樹吃水”的“噴泉樹”，這種樹木可以攔截空氣中的水分，每天捕獲的水可以成為當地人全天的飲用水來源。
近年來，隨著科學家們不斷的探索，自然界中可以高效收集霧水的生物被越來越多地研究，而其中針對“霧滴收集、液體輸運、水分富集”的機理也被逐漸揭示，并指導科研工作者設計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，結構探究以及仿生高效霧水收集器10-12：a）沙漠甲蟲；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。每個沙漠的清晨，小甲蟲都會找到較高的沙丘，抬起它的背部迎接來自海岸的霧氣流。隨著霧水的逐漸凝結，甲蟲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的霧氣收集原理13，這種神奇的小生物具有親疏水結合的背部結構，暴露在濕潤霧流中時，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并生長到整個親水區(qū)域的大小，之后隨著液滴的增加，水球的表面能逐步上升，當液滴的表面能逐漸大于界面的表面能時，液滴會流到疏水的界面，進而滾落至其口中。進而，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特的表面結構，發(fā)現霧水收集效率得到提升。這種親疏水結合的霧氣收集方式讓科學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。通過在平面上構建做出親疏水結合的圖案，科研工作者也進一步實現了此類仿甲蟲結構的霧/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：仿沙漠甲蟲親疏水結合霧水收集器：a）沙漠甲蟲的表面蠟質結構?b）采用親疏水結合的仿沙漠甲蟲二維平面結構?c）采用表面凸起的精密冷凝器件。?
正如任何欣賞過掛滿露珠的蜘蛛網的人所發(fā)現的，在晨霧中結滿的蜘蛛絲可以有效地收集水分，并將它們凝結成小液滴，像珍珠一樣串在蛛網上。為了研究這種神奇現象的原理，通過深入觀察，在2010年，由江雷院士領導的科研團隊在一篇Nature中指出，可以捕獲晨霧中水汽的蛛絲纖維是一種獨特的錐形結構，而且只有在潤濕之后才能形成。這種錐形結構可以產生拉普拉斯壓力的差異，結合各向異性結構特征所帶來的表面能量梯度共同作用，可以實現在蜘蛛絲主軸結周圍的水滴連續(xù)冷凝和定向收集17。受此啟發(fā)，江雷院士團隊設計出了模仿蜘蛛絲結構特征的人造纖維，并且制備了一系列帶有紡錘結的人造蜘蛛絲。通過巧妙地設計表面納米結構和的計算推導，作者證明通過優(yōu)化纖維表面的曲率，加以化學和粗糙度梯度的配合，就可以實現微小液滴的可控輸運。這項研究將為設計智能定向驅動微小液滴和高效霧水收集上提供一種新的思路。對未來智能材料和設備的設計具有很強的借鑒意義18。
圖四：a）濕潤狀態(tài)下的蛛絲；b）濕潤狀態(tài)下蜘蛛絲結構；c）錐形結構可以通過拉普拉斯壓將液滴定向輸運到紡錘結的位置。
仙人掌是沙漠中的生存能手，其多肉的內莖和針狀的葉子可以最大程度地保證水分的貯存。很多朋友從兒童時期就對這個“刺頭”充滿了好奇，科學家們也是如此。盡管早在1986年，Nobel等人就對仙人掌在極端干旱環(huán)境下的生存能力進行了系統(tǒng)地調查研究19，但多是從植物學角度剖析它對水分的攝取及保存的。通常認為，仙人掌在自然進化中逐漸形成了自己獨特的生存模式：它的莖肥厚多汁，有發(fā)達的薄壁組織細胞可以用于儲藏水分；并且它的表皮具有厚而硬的蠟質層，還生有密集的絨毛覆蓋，從而可以避免和減少陽光照射，降低水分蒸發(fā)。不僅如此，仙人掌還具有強大的根部結構，可以在深入地下數十米找到并吸收水分，一旦遇到降雨，它就會在表層長出許許多多的新根，大量吸水。并且它的大根還有很厚的木栓組織保護，即使在灼熱的沙石上生活也不會被干死。同時針狀的葉子可以降低水分的蒸騰，實現高效保水的能力。2012年，Ju等人通過深度觀測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的機理，并提出了此類沙漠植物空氣取水的全新機理。仙人掌具有錐形結構的疏水針刺可以將攔截微米級的霧滴，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，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)的生長提供水分補充20。
圖五：a）液滴在仙人掌針刺上的定向輸運；b）液滴受拉普拉斯壓的作用下從尖端定向輸運到根端，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，以及親疏水協同結構的霧水收集器件被設計出來22-23。這些仿生霧水收集器件不僅可以高效的捕獲液滴，還能夠定向輸運液體，最終實現淡水的貯存。具有定向輸運液體能力的界面，可以有效的避免收集液體的二次蒸發(fā)，顯示出更加可靠產水能力22, 24。為了增強集霧器捕獲液滴的能力和自發(fā)液體輸運能力，本課題組利用突起直行針刺結構與親/疏水條帶結構進行整合，設計了具有多層次親/疏水協同結構的高效霧水收集器，實現了所收集液滴的逆重力輸運。在親/疏水Janus結構的幫助下，突起結構所收集的液體將會在自身表面能的推動下主動向材料內部輸運，實現了液體的收集+貯存的全過程25。此類設計也利用對稱的直針簡化了類仙人掌的錐形針，實現了效果相當的霧水收集過程，推動了此類仿仙人掌集霧界面向實際應用進發(fā)。
圖六：仿沙漠仙人掌的霧水收集器：a）磁響應的錐形仿仙人掌集霧器；b）通過拉普拉斯壓驅動的“自泵”霧水收集器；c）親/疏水Janus結構的定向霧水收集器；d）平面結構的高效低耗霧水收集界面。?
為進一步降低仿仙人掌集霧器的成本和制備難度，天津大學化工學院曹墨源課題組近期通過將仙人掌錐刺和我國傳統(tǒng)剪紙藝術相結合，提出了一種將三維的仙人掌針刺結構壓扁為平面結構的高效低耗霧水收集界面。這種霧水收集器的設計只需剪紙和浸涂兩步就可以完成制備。不僅實現了高效液滴捕獲、液滴定向驅動和收集，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，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)自修復的能力。這項研究在為仿生不對稱界面實現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，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)為人類帶來了無窮無盡的靈感，基于自然界生物啟發(fā)而提出的霧水收集界面已經取得了許多進展，在設計原則和收集機理方面已經奠定了一定的基礎。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更多的應用于干旱多霧地區(qū)、高山密林地區(qū)的淡水獲取，可以作為現在飲用水生產方式的重要補充，為更多人類提供清潔、可靠的飲用水源。
來源：高分子科學前沿
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