具有稳健液滴锁定功能的双凹槽通道SLIPS用于快速可持续集水

《Desalination》：Doubly reentrant channel SLIPS with robust droplet locking for rapid and sustainable water harvesting

　　

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  双入射通道滑润液体浸润多孔表面（DRC-SLIPS）独特的双入射架构解决了单次入射通道滑润液体浸润多孔表面（SRC-SLIPS）在集水过程中出现的液体溢出问题。
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  DRC-SLIPS 可通过单次曝光邻近光刻制备，极大地简化了制备流程。
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  实验验证表明，DRC-SLIPS 在各种温湿度条件下均具有良好的表面润湿恢复和防溢出性能，拓展了其实际应用场景。

引言

随着全球人口的持续增长，水资源短缺已成为制约人类社会可持续发展的关键因素 [1], [2], [3], [4], [5]。在联合国制定的 17 项可持续发展目标（SDGs）中，可持续发展目标 6（SDG 6）明确以保障所有人的安全饮用水和实现卫生服务的可持续管理为目标 [6]。目前主流的快速集水技术，如流域间调水 [7], [8], [9]、海水淡化 [10], [11], [12], [13], [14] 以及先进污水处理 [15], [16]，均面临投资成本高、能耗高等重大挑战。虽然太阳能驱动界面蒸发作为一种有前景的可再生能源脱盐策略 [17], [18], [19] 已经兴起，但它仍然依赖持续的太阳辐射，并受昼夜循环和天气波动的影响。这些限制严重阻碍了传统集水技术的大规模推广，尤其使其在欠发达地区难以实施。因此，研究和开发低成本、低能耗的创新型大气集水技术已成为应对全球水危机的关键优先事项。

在自然水循环中，大气中以水蒸气和水雾液滴等形式存在的新可再生淡水资源是有前途的替代水源。大气水主要以三种形式存在：可见云 [20], [21]、不可见水蒸气 [22] 和可见雾 [23]。从云中集水通常通过人工降水增强来实现。然而，这种方法高度依赖特定的气象条件，且操作复杂度高，需要专业设备和人员，阻碍了其大规模应用 [20], [21]。相反，尽管不可见水蒸气收集技术（辐射结露冷凝和吸附剂吸附）针对的是气态分子，但它们面临固有的局限：辐射法能量效率低，且需要特定的夜间条件，而基于吸附的系统则表现出动力学缓慢和在干燥环境中产量下降的问题 [22]。这些限制突显了对如可见雾收集等替代方法的迫切需要。

可见雾收集凭借其被动性和适用于偏远地区部署的特点而脱颖而出，成为一种有前景的解决方案 [24], [25]。然而，现有技术仍面临效率瓶颈。近年来在集水水凝胶 [26], [27], [28], [29] 和结构化 SLIPS [30], [31], [32], [33] 方面的进展通过克服液滴捕获与传输之间的权衡显著提高了收集效率。SLIPS 将纹理固体与浸润的润滑剂相结合，展现出超低接触角滞后和自愈合特性 [34]，其液滴传输由界面张力梯度和润湿脊动力学控制 [35], [36]。图案化润湿梯度进一步实现了液滴的自推动 [37]。然而，SLIPS 的长期耐久性因润滑剂蒸发、包覆和剪切驱动排水而导致的流失而受损 [38]，而最近的设计，如滑润浆料浸润表面，试图在耐久性与集水性能之间取得平衡 [39]。尽管取得了这些进展，但在动态条件下保持稳定的液滴锁定仍是一个关键挑战。具体而言，尽管 Guo 等人开发的亲水入射 SLIPS 展示了气态集水的流动分离模式 [40]，但此类系统中的入射结构在直接集水过程中仍表现出不足的液滴锁定性能。这通常导致部分液滴出现，限制了它们在简单集水场景中的更广泛适用性。此外，这些方法仍受复杂微加工过程的限制。

在此，我们提出通过简化的单次曝光工艺制备的双入射通道滑润液体浸润多孔表面（DRC-SLIPS）。该方法不仅简化了制备工艺，克服了传统方法的高成本和复杂性，还从根本上增强了液滴锁定效果。稳健的 DRC-SLIPS 有效抑制了液滴出现。与单次入射滑润液体浸润多孔表面（SRC-SLIPS）相比，其集水率提高了 46.7%，且其表面水覆盖比率仅为 SRC-SLIPS 相应值的 73%。与超疏水冷凝吸收体（SCA）相比，其集水率提高了 156%，而其表面水覆盖率仅为 SCA 的 55% [30]。此外，均匀浸润到材料表面的 HPDMS 润滑剂膜显著降低了界面粘附力。这种协同结构显著减少了大直径液滴的比例；与未浸润的对照样品相比，它将大液滴比例从 37.5% 降至 5.3%，并将集水效率提高了 79%。在自然环境条件下的室外野外实验证实，DRC-SLIPS 产生的大液滴表面覆盖比率仅约为 17%，仅为平面对应值的 40%。通过同时优化制备工艺并增强液滴锁定机制，本工作为高效集水提出了重大进展。这种简化制备工艺和增强液滴锁定的协同策略为在缺水偏远地区实现可扩展、高效的集水系统部署提供了一条有前景的途径。

章节片段

DRC-SLIPS 的结构设计、制备及工作原理

采用单次曝光光刻工艺在硅衬底上制备了具有独特双入射横截面结构的 DRC-SLIPS（图. 1A）阵列，以及用于对照的 SRC-SLIPS（图 1B）阵列。通过调节邻近间隙以调控衍射范围，利用邻近光刻技术制备了两种不同类型的 SLIPS（图 1C）。为针对光掩模几何参数进行优化，定义了三个无量纲常数：$D^{\prime }=D_2/D_{}$

结论

总之，为应对传统滑润液体浸润多孔表面（SLIPS）在大气集水中面临的液滴锁定不稳定和制备复杂等长期挑战，本工作采用单次曝光邻近光刻法开发了双入射通道 SLIPS（DRC-SLIPS）。

不同于传统单次入射结构，DRC-SLIPS 独特的双重悬挑架构可连续移动固-液-气三相接触线

材料

SU-8 光刻胶和 Microlithography Adhesion Promoter Omnicoat 均来自 Microchemicals 公司，而羟基封端聚二甲基硅氧烷（HPDMS）则购自 Dow Corning。

DRC-SLIPS 和 SRC-SLIPS 的制备

为制备 DRC-SLIPS，我们设计了一种光掩模，其重复单元由中心宽条带对称地夹持在两侧一对相同窄条带之间构成。在邻近光刻中，宽条带的宽度（$D_1$）决定了所制备柱体的最终直径；

资金支持

本研究部分得到了中国国家自然科学基金（批准号 52175529）、安徽省大学生杰出青年项目（批准号 2023AH030003）以及安徽省高校学科高峰科学计划重点项目（控制科学与工程）（批准号 Z010311009）的资助。

利益冲突声明

所有作者声明不存在相关关系。

致谢

作者感谢中国科学技术大学工程与材料科学实验中心和中国科学技术大学微纳研究与制备中心在微加工方面提供的技术支持。作者感谢朱武林在光刻工作方面提供的协助。

Kai Liu｜Weikang Liu｜Chunxia Liu｜Bin Ju｜Zikai Zhang｜Yue Zhang