《Biomimetics》：Bioinspired Fog Harvesting Surface Based on Aluminum Functionalization
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有限获取淡水是日益严峻的全球挑战，大气水收集（atmospheric water harvesting）为补充常规水资源提供了一种有前景的途径。受仙人掌捕雾刺启发，研究人员开发了具有可控润湿性（wettability）的铝表面，以研究表面化学、形貌（morph
有限获取淡水是日益严峻的全球挑战，大气水收集（atmospheric water harvesting）为补充常规水资源提供了一种有前景的途径。受仙人掌捕雾刺启发，研究人员开发了具有可控润湿性（wettability）的铝表面，以研究表面化学、形貌（morphology）和润湿性如何影响雾收集（fog collection）。表面通过依次NaOH和HCl处理，随后用几种羧酸（carboxylic acids）功能化制备：三种含氧酸（oxygenated acids）和四种从己酸到十八酸的脂肪酸（fatty acids）。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）支持表面功能化，而扫描电子显微镜（SEM）和轮廓术（profilometry）显示功能化样品之间形貌和粗糙度大体相似。含氧酸给出高度亲水表面（θ < 10°），而脂肪酸给出高度疏水表面（θ高达156.7°）并具有拟疏水特征（parahydrophobic features，强水黏附）。暴露于人工雾的脂肪酸（从癸酸到十八酸）功能化表面收集的水量约为未处理铝的1.6至2倍。在五个1 h收集循环中，C10和C14功能化表面尽管接触角下降，仍保持相对稳定的收集性能。C18功能化表面显示最高初始性能，但接触角和收集水质量在连续循环中均下降。这些结果表明，长链脂肪酸功能化改善雾收集，链长影响收集性能及其重复使用中的保持性。
研究背景与问题：淡水可获得性是全球性问题，大气水收集可补充常规水资源；海水淡化虽可大量产水，但受限于近盐水源、高能耗和卤水生成。沙漠生物启发了露水收集与雾收集策略，其中仙人掌刺依靠形状和表面结构捕获雾滴，并在Laplace压力与表面能梯度驱动下向基部输运，这突出润湿性及拟疏水（parahydrophobic）特征的重要性。润湿性由形貌（粗糙度）和表面化学共同决定。前期3D打印铜复合基底易碎，因此本研究改用固体铝板，利用其低密度、低成本、易加工及可经羧酸简单功能化调控润湿性的特点。研究旨在考察酸选择与初始雾收集性能及重复使用短期保持性的关系，假设酸身份与初始润湿性和重复雾暴露中收集速率演化相关。
关键技术方法（≤250字）：以纯铝板（4×4×1.5 cm，99.5%，购自Le Bon Metal, Guewenheim, France）为样本来源；顺序NaOH 1 M 1 min、HCl 5 M 3 min刻蚀活化，再以七种羧酸乙醇溶液10 mg/mL室温1 h功能化，90 °C过夜干燥；用衰减全反射FT-IR（4000–700 cm
?1）、SEM（15 kV）、光学轮廓术（Ra、Rq、Rz）和光学接触角仪（4 μL液滴，θ、接触角滞后（CAH）、滑动角（SA））表征；改进Azad et al.装置，超声雾化，流速0.84 m/s、体积流量0.77 m
3/h，样品距出口7 cm，收集瓶下方15 cm，5 min记录，1 h循环共5轮；统计用Shapiro–Wilk、双因素混合设计重复测量方差分析（ANOVA）和Dunnett检验，n=3。
研究结果：
3.1 连续化学处理使铝表面适于羧酸功能化：通过三步改性和七种酸选择，建立从亲水到疏水/拟疏水的表面；含氧酸保留极性基团预期亲水，脂肪酸暴露烃链预期疏水，C
6、C
10、C
14、C
18用于考察链长影响。
3.2 羧酸功能化控制表面性质：对功能化表面进行化学、形貌、粗糙度和润湿性表征后再测雾收集。
3.2.1 表面表征：FT-IR显示NaOH/HCl后3320 cm
?1 Al-OH宽带，功能化后减弱；含氧酸出现3160 cm
?1 O-H相关带；脂肪酸出现2920和2850 cm
?1 C-H伸缩带增强及约1730 cm
?1羰基弱带；支持表面功能化，但不能确定共价或配位结合。
3.2.2 表面粗糙度和形貌：轮廓术显示Ra原始150±30 nm，NaOH后180±30 nm无显著变化，HCl后0.86±0.08 μm显著增加，功能化后0.83–1.24 μm；SEM显示原始有加工痕迹，NaOH无明显形貌改变，HCl后出现明显结晶结构，功能化后类似HCl；结论是粗糙度主要来自HCl刻蚀，功能化无主要额外形貌变化，但观察为定性且粗糙度差异不能排除影响。
3.2.3 表面润湿性研究：接触角测量显示原始θ=89.0°±2.2°，NaOH后99.8°±5.1°，HCl后23.7°±5.2°；含氧酸功能化后θ<10°超亲水；脂肪酸功能化后θ>150°，C
6 150.0°±2.3°、C
10 151.8°±2.9°、C
14 155.3°±0.5°、C
18 156.7°±1.4°；动态测量CAH分别为47.0°±9.3°、23.6°±2.6°、20.6°±8.9°、20.2°±6.6°，SA分别为30.0°±5.3°、10.0°±3.1°、8.9°±2.0°、7.3°±2.4°；C
10–C
18符合拟疏水操作定义（θ约≥150°、CAH约≥20°），模拟仙人掌刺润湿和黏附，液滴长大滚落收集。
3.3 雾收集速率评估：人工雾暴露测面积归一化速率；Al和NaOH/HCl约160 mg cm
?2 h
?1；含氧酸类似约160；C
6约180略高但接近亲水；C
10/C
14/C
18约1.6–2倍，C
18最佳约420 mg cm
?2 h
?1；与θ>150°和强黏附相关，归因于化学修饰可能，粗糙度贡献不能排除。五轮循环中，原始Al的θ由89.0°降至82.3°，速率由166.5增至192.9 mg cm
?2 h
?1；NaOH/HCl的θ下降但速率无显著影响；含氧酸保持亲水，速率约160无系统变化；C
6迅速失疏水，出现136.0°±8.2°和32.1°±12.5°异质润湿，速率由217.9降至173.3 mg cm
?2 h
?1，趋近HCl表面；C
10/C
14五轮保持疏水但θ降至137.5°±2.0°和139.6°±4.0°，C
10速率由335.8°±75.9°?（原文为335.8±75.9 mg cm
?2 h
?1）降至279.6±46.9，C
14由304.0±22.6降至265.0±53.9 mg cm
?2 h
?1；C
18初始最高423.3±29.6 mg cm
?2 h
?1，前两轮θ>150°，第三轮起147.8–150.4°，速率降至262.7±48.7 mg cm
?2 h
?1接近C
10/C
14；五轮后C
6/C
10/C
14液滴90°不脱落，C
18的CAH为37.5°±13.8°、SA为20.0°±6.7°；结论为长链C
10/C
14/C
18具拟疏水且收集1.6–2倍，C
18初始最高，循环后θ仍约140°足以维持，机制需进一步研究。
讨论部分总结：平面基底在实验室条件下的雾收集性能低于文献报道，最佳C
18的423.3±29.6 mg cm
?2 h
?1约为文献报道可比平面表面值的十分之一；优化可探索三维结构（如网或分级结构）以增大有效收集面积，雾通量、液滴尺寸分布及基底相对雾流方向差异也可能促成差异。鉴于样品表面液滴尺寸分布未表征且生成雾代表性有限，该差异须谨慎解释，结果不能直接外推到自然大气雾收集。C
10和C
14在五轮中相对稳定；C
18初始最佳但接触角和收集水质量下降；结果强调短期收集性能与润湿性相关，循环中表面化学和形貌变化及长期可重复使用性仍待确定。
研究结论翻译：本研究报道了具有可控润湿性的铝表面的制备。表面功能化通过使用多种羧酸的三步过程实现。改性表面用多种技术进行了充分表征。红外光谱支持羧酸处理后表面相关官能团的存在，而表面粗糙度测量表明预处理、特别是HCl步骤有效构造了铝表面。本研究强调功能化对表面性质的主要影响。脂肪酸改性表面表现出强疏水特征，表观水接触角超过150°，并具有高CAH和SA的拟疏水特征。相反，含氧酸功能化表面显示高度亲水行为，表观接触角低于10°。在测试的人工雾条件下，长链脂肪酸功能化相对于未处理铝增加了收集水质量。然而，这些平面表面在实验室条件下的雾收集性能低于文献报道：性能最佳表面C
18以423.3±29.6 mg cm
?2 h
?1的速率收集水，约为文献报道可比平面表面值的十分之一。可以探索若干方法优化该结果。本研究采用平面基底，而性能最高的系统通常依赖三维结构（如网或分级结构），提供更大的有效收集表面积。雾通量、液滴尺寸分布和基底相对于雾流方向的差异可能促成观察到的差异。鉴于样品表面液滴尺寸分布未表征且生成雾代表性有限，该差异必须谨慎解释；因此结果不能直接外推到自然大气雾的收集。在五个一小时收集循环中，C
10和C
14链功能化表面尽管表观接触角下降，仍保持相对稳定的收集性能。C
18链功能化表面表现出最佳初始性能，但在重复使用中接触角和收集水质量均下降。这些结果强调短期收集性能与润湿性之间的相关性；然而，循环过程中表面化学和形貌的变化以及长期可重复使用性仍有待确定。
