综述：仿生与工程化表面用于大气集水的原理、制备与应用

（编辑推荐）本综述系统阐释了受纳米布沙漠甲虫（Stenocara gracilipes）启发的仿生超浸润（superwettability）表面设计策略，聚焦亲/疏水（hydrophilic/hydrophobic）图案化材料在雾水收集、抗结冰（anti-icing）、油水分离等领域的应用，为极端缺水地区的可持续水资源开发提供创新思路。

　　

摘要

自然界中适应极端缺水环境的生物（如纳米布沙漠甲虫）通过独特的表面浸润性调控机制实现高效水捕获。该甲虫的鞘翅（elytra）具有亲水性凸起（直径0.5 mm）与疏水性背景的复合结构，可定向输送15-20μm雾滴至口器。这一现象启发了仿生超浸润材料的开发，其核心在于通过表面化学与微纳结构协同调控实现液滴成核、聚并及定向传输。

引言

全球淡水危机促使非传统水资源开发技术兴起，而传统海水淡化（desalination）存在高能耗缺陷。被动式集水技术因零能耗优势成为研究热点，沙漠甲虫、仙人掌（Copiapoa haseltoniana）等多尺度生物结构为材料设计提供蓝本。纳米布甲虫的鞘翅通过亲/疏水异质结构实现雾滴捕获效率最大化，其机理涉及表面自由能梯度与拉普拉斯压力（Laplace pressure）的协同作用。

基础润湿理论

表面润湿性由杨氏方程（Young's equation）与Wenzel/Cassie-Baxter模型共同描述。纳米布甲虫的凸起结构通过打破Cassie-Baxter态向Wenzel态转变的能量壁垒，实现雾滴快速聚并。接触角滞后（contact angle hysteresis）<10°的超滑表面可降低液滴粘附，而多孔结构通过毛细力（capillary force）增强水传输。

液滴定向传输驱动机制

1. 化学梯度力：亲/疏水图案产生的表面能差驱动液滴向高能区迁移
2. 结构压力：微米级凸起阵列诱导不对称拉普拉斯压力差
3. 重力辅助：表面倾斜角>30°时重力成为主导因素

仿生材料制备技术

• 光刻法：可精确控制亲水区尺寸至亚毫米级
• 激光加工：在聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面构建分级粗糙度
• 电纺丝：制备仿仙人掌刺的定向纤维膜，水收集率提升240%

应用前景

1. 集水装置：摩洛哥Atlas山脉的仿甲虫集雾网日均产水10L/m²

2. 抗结冰涂层：超疏水（CA>150°）表面延迟结冰时间达6小时

3. 生物传感：利用润湿性差异实现微流控（microfluidic）芯片的液滴操控

结论与展望

当前挑战在于大规模制备的稳定性与成本控制。未来可探索动态润湿性切换表面、仿蜥蜴皮肤（Phrynosoma cornutum）的多孔吸湿材料等方向，为应对全球水危机提供创新解决方案。