一种仿生可切换的超润湿表面能够实现高效的雾水收集和高速的油水分离

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A biomimetic switchable superwetting surface enables high-efficiency fog harvesting and high-speed oil–water separation

本研究通过整合水稻叶脉、火龙果微刺、蜘蛛丝结和仙人掌尖刺的多级仿生结构，利用氨水蚀刻在铜丝网上制备超亲水表面（TBAL）。经参数优化，雾收集效率达0.92 g·cm?2·min?1，是普通圆锥丝的4倍，并可通过十八碳硫醇蒸汽处理实现超疏水表面，高效分离油水混合物。

　　

王琼|辛燕|郭志光

教育部功能材料绿色制备与应用重点实验室，湖北大学材料科学与工程学院，武汉，430062，中国

摘要

由于单层仿生表面的性能存在固有上限，我们在本文中采用细铜丝作为机械骨架，并将水稻叶片的各向异性沟槽、火龙果微毛簇、蜘蛛丝纺锤结以及锥形刺的锥度梯度无缝融合成一个统一的、分层的结构。通过氨蚀刻工艺制备出一种超亲水性的多尺度仿生表面（称为TBAL）。经过系统参数优化后，该表面的雾气收集效率提升至0.92 g·cm?2·min?1，是同等原始锥形铜丝的4倍。关键的是，简单的十八烷硫醇蒸汽处理可以将表面转变为超疏水性，使得宏观油滴能够沿三维梯度方向自推进。这使得油水分离效率达到98%，实现了单一材料兼具高性能雾气收集和油污修复的双重功能。

引言

目前，清洁安全饮用水的稀缺正在威胁全球人类健康和生态系统稳定。尽管技术进步包括大规模海水淡化，但全球淡水短缺问题依然严峻，尤其是在沙漠、沿海和山区等传统水源难以获取的地区1, 2, 3, 4。雾气是由1–10 μm大小的液滴组成的大气悬浮物，是一种丰富、可再生且可直接从空气中收集的水资源。生物体进化出了多功能表面结构，能够高效地生成、生长和传输这些微小液滴，为下一代收集器提供了设计蓝图5, 6, 7, 8。水稻叶片上的定向沟槽引导水单向流动；火龙果果皮上的微绒毛捕获雾滴9, 10；仙人掌刺整合了锥形拉普拉斯梯度以泵送水分；而蜘蛛丝纺锤结则协调周期性凝结过程。这些自然现象共同遵循了四个高效雾气收集的设计原则：(i) 适度的疏水性以减少液滴粘附；(ii) 持续更新新鲜界面面积；(iii) 最小化收集水的再蒸发；(iv) 快速去除收集的液体。合理的宏观形状进一步增强了雾气拦截效果并引导液滴运动路径，从而最大化收集效率[11]。

自然界中的单一图案表面存在固有局限性。纳米布甲的鞘翅上具有亲水凸起，周围环绕着疏水凹槽，虽然能生成雾滴，但大多数液滴在到达口器前就会滚落；其定向传输效果几乎为零12, 13。莲花的正面极度疏水，背面亲水，但两者被不透水的角质层隔开14, 15，导致凝结液随意滑动和飞溅，无法被引导至收集点。在这两种情况下，缺乏空间耦合的润湿性梯度导致雾气收集效率低下。借鉴这些自然原理1, 16，我们超越了单一图案仿生设计，构建了一个分层耦合的结构，融合了水稻叶片的纵向沟槽、蜘蛛丝的纺锤结、仙人掌的锥形刺以及火龙果表皮的微刺，形成了一个集成的多尺度表面17, 18, 19。通过氨蚀刻制备的超亲水表面不仅提供了大量液滴捕获点，还在毛细力和拉普拉斯力的作用下实现了超快速的定向液体传输，同时迅速释放新鲜表面区域20, 21。最终，通过多层次的协同效应，雾气收集效率达到了0.92 g/cm2/min，比原始样品提高了4倍。值得注意的是，这项工作在油滴传输方面表现出色，为实现高效油水分离提供了可能性。

需要说明的是，本文中的样品代码遵循以下约定：T + 数字（刺的数量），B + 数字（束的数量），A + 角度（°）（束与刺之间的角度），L/B（L = 超亲水，B = 超疏水）。例如，T5B10A15L表示一个具有5根主枝、10个分支且分支与主枝之间夹角为15°的超亲水样品。

材料

我们使用了一种孔径为1 mm、线径为0.01 cm的铜网（由上海燕津过滤网制造有限公司提供），该铜网由直径为0.2 mm的铜丝编织而成。氢氧化钠（96%，NaOH）和过硫酸铵（98%，(NH?)?S?O?）由天津瑞龙医学科技有限公司提供。低表面能改性剂十八烷硫醇（ODT，96%）由上海莎恩化学科技有限公司提供。其他化学品如丙酮（99.5%）等均为无水状态。

TBAL的概念及其意义

基于先前的研究，水稻叶片具有亲水沟槽结构，能够快速拦截雾滴，并在毛细作用下扩散水分，从而加速水分传输19, 23, 24, 25。基于这一原理，我们将蜘蛛丝的纺锤结几何结构与仙人掌刺的锥形轮廓结合，设计出了一种分层雾气收集器TBAL（见图1）。该装置最初是为水资源匮乏地区设计的，但实验进一步证明了其高效性

结论

在本研究中，我们制造了一种基于细铜丝的分层仿生微结构，融合了水稻叶片、火龙果、蜘蛛丝和仙人掌刺的表面特性。氨蚀刻处理后形成的超亲水表面具有纳米级粗糙度，提供了大量液滴生成点。凝结液滴在拉普拉斯压力和毛细力的协同作用下以前所未有的速度自推进，持续暴露新鲜表面区域以进行水分传输

CRediT作者贡献声明

郭志光：撰写 – 审稿与编辑、监督、软件开发、资源管理、方法论设计。辛燕：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、方法论设计。王琼：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件开发、方法论设计。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52442507）的支持。