仿生混合润湿性钛表面高效集雾技术的设计与性能研究

针对全球淡水危机，受沙漠甲虫、仙人掌刺等多生物启发的混合润湿性钛表面（SHO/SHI）通过激光刻蚀与氟硅烷改性技术，构建超亲水-超疏水协同结构，实现Laplace压力与表面能梯度的协同增效。该设计使集雾效率（WCR）达6.2 kg·m-2·h-1，较参照组提升221.24%，首滴收集时间缩短73.33%，为干旱地区水资源获取提供创新方案。

　　

论文解读

全球约35亿人每年面临至少一个月的缺水困境，而大气中未被开发的淡水储量占地球总量的10%。传统集雾材料如单一仿仙人掌锥刺或甲虫背板结构，因仅依赖Laplace压力或润湿性梯度，效率受限（如Song等设计的锥刺结构WCR仅0.86 kg·m^-2·h^-1）。如何通过多机制协同突破效率瓶颈，并解决规模化生产难题，成为研究关键。

山东某高校团队在《Applied Materials Today》发表研究，提出一种融合蜂窝结构、甲虫背板、仙人掌刺和叶脉的多级仿生钛表面。通过激光刻蚀与PFDS（十七氟癸基三甲氧基硅烷）改性构建超疏水基底，二次激光精准雕刻超亲水图案（Pattern I），实现水滴吸附-定向传输-惯性脱附的全流程优化。该技术单次加工5 cm×5 cm仅需10秒，WCR达6.2 kg·m^-2·h^-1，首滴收集时间48秒，较超亲水/超疏水参照组效率提升83.43%-221.24%。

关键技术方法

1. 激光刻蚀：首次激光处理钛基底构建微纳粗糙结构，结合PFDS涂层实现超疏水性（接触角>150°）；二次激光选择性去除PFDS形成超亲水图案（接触角<5°）。
2. XPS表征：通过C1s（283.78 eV处C-Si键）和F1s（687.28 eV处C-F键）谱图验证PFDS成功修饰。
3. 动态集雾测试：在400 ml/h雾流、15 cm距离下，量化WCR与首滴时间，对比不同倾角（30°最优）与刻蚀参数影响。

研究结果
1. 混合润湿性协同机制
超亲水图案（Pattern I）通过表面能梯度驱动水滴定向迁移，蜂窝单元30°弯角设计平衡捕获与传输效率。Laplace压力（源自仙人掌刺锥度）与叶脉状脱附通道协同，使水滴脱离速度提升73.33%。

2. 规模化潜力验证
蜂窝结构单元可无限扩展，克服了Zhou等光刻法制备的Janus膜（MNHB/HL）的尺寸限制。激光直写技术较Liu等的超短脉冲激光加工效率提升百倍，适合工业化生产。

3. 参数优化
刻蚀速度200 mm/s、3次循环时微沟槽深度最佳（12.4 μm），过高的能量密度（如5次循环）会导致基底热损伤，降低SHO稳定性。

结论与意义
该研究通过多生物灵感交叉创新，首次将蜂窝结构的可扩展性、甲虫的润湿性梯度、仙人刺的Laplace压力与叶脉的惯性脱附通道整合于钛表面。其核心突破在于：

1. 效率跃升：WCR 6.2 kg·m^-2·h^-1为当前报道最高值之一，且首滴时间突破1分钟阈值；
2. 技术普适性：激光直写工艺兼容多种金属基底，为微流体器件（如液滴操控）和户外集雾瓶设计提供通用模板；
3. 工业化路径：尽管大规模均匀性仍需优化，但较传统光刻/喷涂法（如Wang等的相分离技术）成本降低90%。

研究团队指出，未来可通过人工智能优化图案拓扑（如分形叶脉设计），进一步突破2000 cm²级加工瓶颈，推动该技术从实验室走向沙漠电站、高原社区等实际场景。