磁场调控仿生超滑表面液滴冷凝行为的机制研究及其在干旱区集水技术中的应用

本研究针对干旱地区矿物磁场干扰导致仿生超滑表面（PSSS）集水效率下降的问题，通过实验与COMSOL模拟揭示了磁场（MF）通过加速蒸发形成"蒸发环"、降低18.4%集水量的作用机制，为优化矿质异常区集水系统提供理论依据。

　　

在干旱地区，从雾气中收集水资源是解决缺水问题的关键策略。受猪笼草启发的仿生超滑表面（SLIPS）因其优异的自清洁和防腐蚀性能，被视为理想的集水材料。然而，当这些表面应用于富含磁铁矿、赤铁矿等矿物质的沙漠地区时，地磁场异常可能干扰其集水效率——这个潜在问题长期被学术界忽视。更棘手的是，传统液体注入式超滑表面存在润滑剂持续损耗的缺陷，虽然安徽工业大学团队开发的PDMS/石蜡固体超滑表面（PSSS）解决了稳定性问题，但磁场对固-液界面相变过程的影响机制仍是未解之谜。

安徽工业大学建筑工程学院的研究团队在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》发表的研究，首次揭示了磁场强度梯度与"蒸发环"现象的关联规律。通过构建金字塔状微纳米结构的镍镀层基底，制备出具有磁响应的PSSS表面，结合环境控制实验与COMSOL多物理场模拟，发现230 mT磁场可使集水量减少18.4%。这种效应源于磁场削弱氢键网络、扩大气液界面面积的双重作用，在低湿度条件下会形成特征性的环形干燥区域。

关键技术包括：1）电镀法制备具有"金字塔"微纳结构的镍涂层基底；2）PDMS/石蜡（体积比9:1）复合固体超滑表面构建；3）采用钕磁铁建立0-230 mT梯度磁场环境；4）COMSOL Multiphysics模拟磁场-湿度-蒸发多场耦合效应。

【表面分析】SEM显示电镀镍涂层呈现规则的"金字塔"微纳结构（图2a），XRD证实磁场处理未改变PDMS/石蜡复合材料的晶体结构，但接触角测量发现磁场使水滴接触角减小5.7°，表明界面能改变。

【蒸发动力学】在50%相对湿度（RH）下，230 mT磁场使单个液滴蒸发速率提升22.3%。分子动力学模拟表明，磁场削弱了水分子间氢键的振动弛豫时间，使逃逸能垒降低1.8 kcal/mol。

【冷凝抑制】连续24小时雾收集实验显示，磁场强度与冷凝量呈负相关（R²=0.91），230 mT组集水量较对照组下降18.4%。红外热像显示磁场区域表面温度升高0.8°C，证实局部蒸发增强。

【蒸发环机制】在30% RH条件下，磁场梯度区域出现直径300-500 μm的环形干燥带（图5c）。COMSOL模拟表明，强磁场中心区RH比周边低12%，形成抑制核化的"死区"。

该研究建立了磁场强度-界面蒸发-冷凝效率的定量关系模型，提出三个创新机制：1）磁场通过降低氢键结合能（ΔG=-1.8 kcal/mol）加速分子逃逸；2）接触角减小扩大气液界面面积17.6%；3）磁场梯度诱导局部RH梯度（ΔRH>10%）形成自组织干燥环。这些发现不仅解释了干旱矿区集水装置效率波动的内在原因，更开创性地将磁流体力学（MHD）原理引入界面相变调控领域，为开发抗磁场干扰的第四代集水材料提供了理论框架。研究特别指出，在含铁矿物储量丰富的沙漠地区（如撒哈拉、戈壁等），未来集水系统设计必须将地磁场参数纳入工程计算模型。