综述：仿生混合润湿性图案高效集雾材料表面工程方法综述

《Surfaces and Interfaces》：Review on surface engineering methods for high-efficiency fog collection materials with hybrid wettability patterns inspired by natural organisms

　　

# 摘要

面对日益严峻的全球淡水短缺问题，大气水收集已成为一条实现可持续供水的前景广阔的途径。本综述综合了仿生取水材料的最新进展，指出了可扩展性与耐久性方面的关键挑战，并提出了未来研究方向。文章探讨了表面润湿性与液滴动力学的基本原理，这些原理是自然界中水分收集机制的基础。此外，本文系统地整理了沙漠甲虫、仙人掌刺和蛛丝等代表性生物体的取水策略及其仿生工程实现方式。文章总结了从微纳制造、激光加工到3D打印和卷对卷制造等关键制备技术。在此基础上，提出了从材料到实用系统的过渡路径，包括性能评估框架以及优化改进方向。最后，本综述强调了可扩展制造、环境耐久性、抗生物污损和标准化评估等方面持续存在的挑战，同时强调了智能响应表面和气候适应性设计在未来发展中的关键作用。

# 引言

21世纪面临的关键挑战之一是日益加剧的全球淡水危机，这对生态系统、人类健康和社会经济稳定构成了多方面的威胁。在人口快速增长、城市化加速推进、工业持续扩张以及气候变化影响日益深化的共同作用下，河流、湖泊和地下水等传统水资源正承受着前所未有的压力。研究预测，到本世纪中叶，全球将有相当比例的人口面临严重的水资源短缺[[1], [2], [3]]。这一现实正在推动水资源管理范式的根本性转变——即从依赖传统水源转向探索开发非常规水资源。与此同时，海水淡化等大规模处理技术所伴随的高能耗和显著环境影响，进一步凸显了对可持续、分布式、低能耗供水方案的迫切需求[[4], [5], [6]]。在此背景下，大气水收集作为一条技术上极具前景的途径，成为本综述关注的焦点。

大气中的水以蒸气、雾和露的形式存在，代表着庞大且尚未充分开发的水资源[18,19]。雾由悬浮的微观液滴组成（直径通常为1-40微米），而露水则通过水蒸气在冷却表面上的凝结形成。在沿海和干旱地区，这两种形式的水尤为宝贵，因为这些地区传统水源匮乏但大气湿度常常周期性较高[20,21]。与海水淡化等能耗巨大的过程不同（后者每立方米淡水约消耗3-8千瓦时电力），被动式雾露收集系统几乎不需要外部能量输入，主要依靠重力进行集水[[22], [23], [24]]。这一特性使其成为偏远地区社区和水资源紧张地区的可持续供水选择[25,26]。此类技术的潜力已通过多个大型雾收集项目得以验证，例如采用简单的Raschel网状结构的装置，已成功部署并运行于智利、秘鲁和摩洛哥等多个地区[27]。

数千年来，干旱环境中的生物进化出了精巧且高效的生存策略，通过捕获大气水分来维持生命。这些生物系统为工程化设计下一代取水材料提供了丰富的设计原则库[[28], [29], [30]]。例如，纳米布沙漠甲虫（Stenocara gracilipes）利用超级疏水体表上独特的亲水凸起图案来收集雾滴[31,32]。沙漠地区的仙人掌采用层级的刺和毛状体阵列，通过拉普拉斯压力梯度促进水的定向传输[[32], [33], [34]]。蛛丝通过吸湿性缠结球和柔性关节的周期性结构以极高的效率捕获水分[35,36]。通过研究和模仿这些自然适应机制——即仿生学或生物启发学——研究人员可以开发出显著优于传统收集器的新型表面和材料[37]。这种仿生方法旨在不仅复制静态结构，还复制自然界中控制液滴成核、生长、传输和脱落的动态物理机制[38,39]。相关研究已成为当前跨学科研究领域的热点。

自Parker和Lawrence[29]于2001年首次报道纳米布沙漠甲虫独特的取水能力以来，仿生取水表面的研究兴趣迅速增长[136,[172], [173], [174]]。Jiang等人发现莲叶表面具有微米级乳头结构，且乳头上存在次级纳米微结构[175]（如图2(a-d)所示），这些次级复合微纳结构对于构建高接触角的超疏水表面至关重要。MIT的Lau等人首次发现，高度仅约2微米、由碳纳米管阵列构成的超疏水表面在冷凝状态下，仅在微结构顶部形成微米级球形液滴（如图2(e-g)所示），纳米阵列中的间隙液滴数量很少，能够实现相对稳定且易脱附的Cassie状态[176]。

基于自然界不同动植物的仿生表面，由于其在二维表面或三维多孔结构上的差异，各具特色[134]。例如，Wang等人[178]通过将亲水Fe颗粒（直径：50-200微米）嵌入玻璃基底上的疏水涂层中，制备了亲疏水复合表面。该涂层由粉末状石墨烯、硅弹性体、环己烷和固化剂的混合物组成（图3(a)）。实验表明，亲水区域上的液滴生长主要依赖于与相邻成核液滴的合并。虽然亲水颗粒之间的距离越短，聚并速度越快，但当液滴占据附近区域较大面积时，后续液滴生长的总量趋于停滞，从而阻碍了水蒸气冷凝循环（如图3(b)所示）。理论上，单体面积更大的亲水颗粒能够实现更快的生长速率，并为水蒸气提供更宽的冷凝面积，但颗粒面积过大会延迟冷凝，导致大液滴生长迟缓。通过比较不同样品的集水性能可知，在3600秒内，粒径为15微米的亲疏水双极表面上收集的液滴总质量为4.04克，高于纯疏水表面（3.1克）和粒径为20微米表面（1.72克），集水最少的表面是粒径为5毫米的表面（2.33克），这表明需要调整亲水面积与疏水面积的比例才能实现最优集水表面。

Zhu等人[58]采用3D打印后在CaCl?-海藻酸钠溶液中进行化学浸涂的方法，制备了具有非对称几何形状、粗糙度和表面化学性质的纤维表面（图3(c)）。由于拉普拉斯压力差的存在，即使没有海藻酸钠涂层，每个脊面也表现出亲水性。在单侧和双侧雾气流作用下，纤维表面的液滴收集速率分别为7×10?3 g/cm2·s和8.2×10?3 g/cm2·s，具有良好的雾沉积能力和液滴定向传输能力（如图3(d)所示）。Gu等人[178]通过研究含氟聚合物网络来调节界面聚并，制备了一种新型有机溶剂纳滤（OSN）复合膜（FPN-TFC）。该膜通过将间苯二胺（MPD）、多巴胺（DA）和全氟癸烷硫醇（PFDT）进行聚合反应制成，具有仿生非对称结构，前后表面润湿性不同（如图3(e)所示），膜表面具有高度约200-700纳米的微纳复合结构（图3(f)）。由于FPN膜亲水表面和疏水表面对有机分子的污损能力（截留率>99%）及其对极性溶液的高渗透性，其乙醇渗透通量高达15.7 L/m2·h·MPa，是传统OSN膜的6倍，在液相分离和单液相共沉淀领域具有广阔的应用前景。

除了表面图案设计之外，理解润湿性驱动液滴传输的基本物理机制对于设计高效的仿生雾收集器至关重要。多篇重要综述从不同角度系统地探讨了这一问题。Chaudhury和Whitesides[196]于1992年首次证明表面自由能的空间梯度可以驱动液滴逆重力向上移动，建立了定向液体传输的基础原理。Mahapatra等人[197]后来将这一概念扩展到开放表面流体操控领域，展示了平滑的润湿性梯度或陡峭的台阶如何在不依赖外部能量输入的情况下实现液滴的被动运动。在孔尺度上，Zhao等人[198]揭示了润湿性如何控制多孔介质中的多相驱替过程，确定了协同孔填充和拐角流动为两个关键机制。最近，一篇全面的综述[199]总结了可扩展的制备技术（如卷对卷压印、紫外纳米压印光刻），用于制造具有凹入几何形状的微纳结构表面，为仿生取水材料的大规模生产提供了实用路线图。这四项贡献共同弥合了从基础润湿性理论到工程实现之间的鸿沟，如图4所示。

Zou等人[179]开发了一种创新的用于水分自传输管理的织物（如图5(a)所示），该织物经过等离子体处理后实现了整体疏水性和局部润湿性梯度（图5(a)、5(b)），可以将皮肤侧的汗液传输至织物外表面，同时阻挡外部液体。其防泼水性能相当于15毫米高的水柱，水分定向传输流速约为91.44 g/min·m2，远高于成人出汗量（15 g/min·m2）。Yin等人[180]在超疏水网络和亲水铜箔上沉积了飞秒激光制备的聚四氟乙烯（PTFE）纳米颗粒，形成了超疏水-亲水复合表面（如图5(c)所示），激光处理后的铜表面水接触角约为159°，滚动角约为3°（如图5(d)所示）。与纯亲水或疏水的未处理铜片和铜网相比，超疏水-亲水复合表面的集水速率提高了约100%，达到200 mg/cm2·h。Wen等人[181]利用巯基硅烷偶联剂诱导的界面巯基-烯斑点反应（如图5(e)所示），制备了基于羧基（羧基甜菜碱，CB）阵列的疏水-亲水复合结构。疏水表面的接触角为153.4±1.2°，亲水表面的接触角为18.8±2.6°。接触角如图5(f-g)所示。在相对湿度85-90%、雾速70 cm/s环境下的雾收集实验表明，该复合结构雾收集表面的液体收集效率为1066 mg/cm2·h，一个面积为100×100毫米的雾收集表面一天可产水约2.5升，足以维持一个成年人的基本生命体征。Wang等人[182]采用纳米二氧化硅、碳化硅和四乙基正硅酸酯（TEOS）混合涂层作为疏水涂层，通过浸涂法制备了铝和玻璃基底的复合超疏水表面（如图5(h)所示）。扫描电子显微镜下的SEM图像显示，二氧化硅涂层具有大量纳米孔，涂层中均匀分布着直径约7-12微米的形状不规则的碳化硅颗粒，如图5(i-l)所示。在30分钟的雾收集实验中，复合超疏水表面的平均液滴数密度为4.62×10?/m2，比纯二氧化硅疏水表面高约150%。液体收集量为914.7 g/m2·h，提高了约216%。

Zhang等人[182]将亲水二氧化硅纳米颗粒引入疏水性链状二氧化硅涂层中，创造了混合润湿性表面。然后将该涂层喷涂在铜片上进行雾收集实验。涂层表面的链状二氧化硅球直径约为20-30纳米，单分散纳米二氧化硅颗粒直径约为140-160纳米（如图6(a-d)所示）。实验测得的复合超疏水表面具有最高的液滴密度，为3×10?/m2，约为纯超疏水表面的1.5倍。收集效率为830 mg/cm2·h，约为纯超疏水表面的1.45倍。Yang等人[183]通过碱液氧化化学蚀刻铜表面，制备了具有氢氧化铜（Cu(OH)?）纳米针结构的亲水铜表面，并采用正十八烷基巯基（ODT）作为疏水改性剂。

修饰剂被置于圆口试管中，并放置在亲水性铜基底的表面，以制备具有超疏水环状图案的亲水性铜基底复合表面。该表面的液体收集量（1107.5 mg/cm2·h）高于超亲水样品（757.7 mg/cm2·h）。Guo等[184]利用TiO?在紫外光作用下表现出不同的润湿性光催化性能，以及硫醇对铜和TiO?的不同改性特性，制备了具有不同摩尔质量比的超亲水TiO?-超疏水铜复合表面。雾收集实验表明，当Cu与TiO?的摩尔质量比为9:1时，样品表面的集水效率最高，达到1309.9 mg/cm2·h。Yu等[185]通过将超亲水涤纶纱线（浸泡于乙醇中）和超疏水涤纶纱线（浸入正己烷与PDMS的混合物中）进行编织，制备了亲水-疏水复合网状织物。该织物进一步通过原位铜沉积进行改性（图6(e)）。经过10次雾收集循环后，复合织物表面仍保持1432.7 mg/cm2·h的高液体收集效率，且成本低廉、制备简便。Shakeel Ahmad等[186]采用格子玻尔兹曼方法（LBM）对具有亲水区域斑块的超疏水表面上的液滴凝结与脱落进行了数值研究。模拟结果表明，表面疏水区域的形状和高度可显著影响脱落液滴的数量，并观察到重力的切向分量在液滴从顶点早期脱落的进程中起着重要作用，液滴脱落量随表面高度的增加而减少，直至达到临界凸起高度。同时，液滴脱落时间随表面高度的增加而减小，并在达到临界凸起高度时趋于极限。然而，在相同的亲水斑块面积下，由于表面曲率不同，半球形表面上的液滴脱落量少于圆柱形表面。A. Shahrokhian等[187]采用光固化打印方法，将直径40微米的半球形树脂固定于树脂球上，在风速为2 m/s的雾流中，液滴收集量增加了近三倍。Kim等[36]利用3D打印转移方法，在疏水性聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底上形成二维氧化铜平面和三维超亲水氧化铜凸起（图6(f)），二维表面的液体收集量约为540.31 mg/cm2·h，三维凸起表面的液体收集量约为573.42 mg/cm2·h。Zeng等[188]通过紫外光催化制备了TiO?-SiO?混合润湿性表面，表面液滴会聚集并弹跳，平均液滴聚集弹跳半径约为27 μm。Liu等[189]通过结合硅烷化改性和等离子体溅射，制备了具有选择性图案区域的复合润湿性表面，能够低成本地快速设计和制备具有任意图案的润湿性表面。受仙人掌针状棘刺集雾行为的启发，Cai等[189]利用P25 TiO?（NPs）纳米粒子在疏水性聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底上构建了亲水性三角形图案（图7(a)）。由于在拉普拉斯压力作用下三角形区域内液滴的自运输特性（图7(b)），表面液体收集速率达到14.9±0.2 mg/cm2·h，远高于超亲水表面（5.2±0.2 mg/cm2·h）和超疏水表面（6.0±0.2 mg/cm2·h），在污水分离和液滴自运输方面具有重要应用价值。Zhou等[190]在经聚二甲基硅氧烷疏水改性的锌基底突起结构上垂直嵌入超亲水锥形铜针，形成了锥形复合润湿性突起表面（图7(c)）。当相对湿度为95%、雾气流速为25–75 cm/s时，表面最大集水量为2780 mg/cm2·h。Li等[191]通过在铜网上喷涂氧化锌层并蚀刻出Cu(OH)?纳米纤维，制备了具有异质润湿性的Janus膜（图7(d)）。该膜具有优异的液滴捕获、聚集、定向输送和单向渗透性能。Vincent等[192]制备了基于聚二甲基硅氧烷的锐边碗形表面（图7(e)），液滴会在边缘持续聚集并滑入碗形凹陷处，其收集效率比普通表面高出约120%。受蜘蛛丝纺锤结节处水聚集行为的启发，Chen等[193]采用简单的PMMA喷涂与碱蚀工艺制备了分级尼龙网（图7(f)）。该结构引入了曲率梯度和粗糙度梯度，能够高效捕获和运输液滴。当液滴在结点上成核时，由于强烈的费米能级钉扎效应，小液滴不受分级结构力的影响。在小液滴长大并相互合并之前，大液滴受到曲率梯度和粗糙度梯度带来的驱动力影响，导致水分在结点上快速积聚。当雾的相对流速为110 g/s·m2时，集水量达到1688 mg/cm2·h。Sun等[194]系统研究了人工蜘蛛丝上微液滴的定向运输行为。他们先将PMMA溶解于DMF中，然后通过浸涂法制备了周期性纺锤结节。结果表明，纺锤结节较大的纤维表现出显著更高的集水效率，约为无结纤维的100倍。实验结果进一步证实，具有较大纺锤结节的人工蜘蛛丝集水量更高，约为无纺锤结节的蜘蛛丝的100倍。Xing等[195]使用多孔聚四氟乙烯（PTEF）掩膜紧密覆盖铜基底，将其垂直浸入0.05 M电解质溶液中，并以钠作为阳极制备了亲水-疏水润湿性图案化梯度表面（图7(g)）。通过比较不同直径D的圆形亲水图案以及图案间中心距S与雾气流中液滴凝结情况的关系，发现在润湿表面和多重驱动力共同作用下，样品表面的液滴密度增加、脱落周期加快。当D/S=0.75时，表面集水量达到2500 mg/cm2·h，比光滑表面高出约192.3%。尽管过去二十年间仿生集雾领域取得了显著进展，但该领域仍存在若干根本性局限。大多数研究聚焦于单一生物原型的模仿，而忽视了自然界中多种机制的协同作用；理想的集雾表面应在捕获、运输和收集之间取得平衡，但真正实现协同优化的研究仍然鲜见。此外，实验室测试条件（固定液滴尺寸、稳态流动）与实际现场环境（液滴尺寸1–100 μm、风速波动、尘埃与微生物）存在巨大差异；文献中报道的2000–4000 mg/cm2·h的高收集效率通常在最佳实验室条件下获得，在实际部署中会大幅下降。图8

表面润湿性与液滴动力学基础

任何集水表面的效率从根本上取决于其与微纳尺度水液滴的相互作用。这种相互作用由表面润湿性原理和液滴输运动力学所决定。深入理解这些基本原理对于设计和优化仿生材料至关重要。纳米结构在液滴成核和合并中的关键作用凸显了纳米科学在实现高效仿生表面的重要性。

仿生集水策略：从自然到工程

仿生集水策略从根本上基于从自然现象中提取核心物理化学原理，并通过跨学科方法将其应用于开发高性能仿生表面和系统。这些进展旨在应对水收集、热管理和表面自清洁等方面的挑战。润湿与凝结作为普遍存在的相变过程，是生物体从空气中收集水分的基本机制。

仿生表面的制备技术

制备方法在分辨率、通量和成本方面各不相同。方法的选择取决于特征尺寸、材料、可扩展性和成本因素。这些技术不仅对于复制自然结构至关重要，也是推动仿生集水、自清洁表面和防冰涂层等应用从实验室走向工程化和商业化的核心驱动力。

面向应用的性能评估

虽然材料层面的创新至关重要，但其真正价值只有在被整合到稳健、高效、大规模的收集系统中时才能实现。本节探讨了从实验室级表面到实际应用的转变过程。

挑战与可持续应用的未来展望

尽管取得了显著的科学进步，仿生集水技术的广泛可持续应用仍面临若干严峻的非技术性和技术性障碍。

结论

本文系统地总结了利用混合润湿性图案的仿生集水材料的最新研究进展。阐述了表面润湿性的基本理论（Young方程、Wenzel模型、Cassie-Baxter模型）和液滴输运机制（拉普拉斯压力梯度、表面能梯度）作为设计基础。关键的自然策略——沙漠甲虫（混合润湿性）、仙人掌棘刺（拉普拉斯压力驱动运输）、蜘蛛丝（具有表面能梯度的纺锤结节）——

贡献者角色

Zicheng Wang（撰写-原始草稿、调查、可视化、数据整理），Yi Peng（概念化、方法论、监督、撰写-审阅与编辑），Shixian Liu（调查、形式分析、验证）。

数据可用性声明

本研究未创建或分析新数据，因此数据共享不适用于本文。

生成式人工智能及AI辅助技术在写作过程中的声明

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未引用参考文献

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CRediT作者贡献声明

Zicheng Wang：撰写-审阅与编辑，撰写-原始草稿。Yi Peng：撰写-审阅与编辑。Shixian Liu：撰写-原始草稿。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本论文所报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（批准号：52365031）的支持。

Zicheng Wang | Yi Peng | Shixian Liu