仿生各向异性杂化润湿表面用于增强雾水收集

《RSC Advances》：Bioinspired anisotropic surfaces with hybrid wettability for enhanced fog harvestingOpen Access

　　

水资源短缺构成日益严峻的全球挑战，大气集水（atmospheric water harvesting, AWH）已成为一种有前景的去中心化解决方案。具有杂化润湿性（hybrid wettability）的仿生表面在雾滴收集方面展现出潜力，但现有设计多在液滴冷凝与脱附之间存在权衡，限制整体收集效率与真实条件下的长期耐久性；将各向异性液滴输运整合到单一可扩展平台中的研究仍不充分。受沙漠甲虫背瘤与水稻叶微沟槽启发，研究人员采用易获取的电化学沉积（electrochemical deposition）、疏水改性与喷涂工艺制备出同时具备杂化润湿性和结构各向异性（structural anisotropy）的HWSA表面。凸起的亲水颗粒加速液滴成核与生长，各向异性疏水背景促进快速定向排液并持续刷新集水面积。该表面最大雾收集速率达4.3 g cm?2 h?1，并在20次运行循环中保持性能稳定，还表现出优异自清洁能力，为资源匮乏环境下的实用大气集水提供耐用且可扩展的方案。

研究背景方面，地球虽拥有丰富水资源，但可供人类消费与工业使用的淡水严重短缺，威胁全球可持续发展与生态安全。大气雾约占地球淡水总量的10%，是未被充分利用但有前景的水源。传统雾收集系统如field-drive系统与harp-shaped设计存在效率有限和制造成本高的问题。自然界中，沙漠甲虫鞘翅的杂化润湿图案、仙人掌刺状结构、蜘蛛丝纺锤节、蝙蝠舌 hydrophilic groove channel 与水稻叶 microgrooves 等，为仿生集水表面提供原型。已有杂化纤维素膜存在亲水- hydrophobic 分布不均，hydrophilic needle arrays 依赖重力脱滴而效率受限；光刻、化学气相沉积、激光烧蚀、线切割等超润湿表面制备技术成本高、复杂、耗时。高效雾收集依赖液滴捕获/冷凝、聚并/生长与快速脱附三阶段，因此亟需简单、低成本、可扩展且兼顾快速捕获与加速脱附的表面。

研究人员开展的研究是：在不锈钢网（stainless steel mesh, SSM）上通过电化学沉积与硫醇化自组装制备超疏水微沟槽基底，模拟沙漠甲虫疏水通道与水稻叶各向异性沟槽；再喷涂亲水二氧化硅（SiO₂）纳米颗粒形成均匀亲水瘤突，模拟甲虫捕水节点，从而得到HWSA表面。结论是该表面亲水 SiO₂ 位点加速雾滴成核、生长与聚并，各向异性超疏水网孔通道促进定向排液，雾收集速率达4.3 g cm^?2 h^?1，20次循环无显著衰减，并具有自清洁性。意义在于用简便、低成本、可扩展策略缓解干旱与水应激地区淡水短缺，论文发表于《RSC Advances》。

主要关键技术方法：研究人员以2000目不锈钢网为基底，采用三电极体系进行 Cu₂O 电化学沉积；用十二硫醇（dodecanethiol）乙醇溶液进行硫醇化自组装实现超疏水化；将 SiO₂ 纳米颗粒悬浮液在0.2 MPa、15 cm条件下喷涂形成亲水瘤突；以平面不锈钢片制备无各向异性的杂化润湿表面（HWS）作对照，并以超亲水改性铜氧化物表面（SHLM）与超疏水改性铜氧化物表面（SHBM）比较；表征用扫描电镜（SEM）与能谱（EDS）、X射线光电子能谱（XPS）、接触角测量、三维表面轮廓仪；雾收集在25 °C下距商用超声加湿器喷嘴10 cm、雾流速度约50 cm s^?1的垂直样品上进行。

Results and discussion：研究人员通过SEM与EDS显示原SSM较光滑、接触角53°，HWSA具微纳粗糙形貌、接触角155°，Cu与S信号覆盖网架，Si信号均匀分布；XPS证实存在 Cu(S(CH₂)₁₁CH₃)₂ 与 SiO₂，S 2p峰162.28 eV对应 C₁₂H₂₅SCu，Cu 2p峰932.8/952.8 eV属 Cu⁺，Si 2p峰103.2 eV属 Si–O–Si，说明功能化成功。宏观与微观冷凝动态显示，亲水 SiO₂ 位点在10 s内沿编织脊成核，沿沟槽生长并跨槽聚并，临界尺寸后沿各向异性通道快速排走。与SHBM、SHLM比较表明，SHBM小滴多但聚并弱、脱附慢；SHLM液滴铺展成连续水膜抑制再成核且无方向滑动。不同润湿表面液滴迁移显示，垂直放置HWSA液滴顺沟槽下滑，水平放置则被困于网孔无方向运动；HWS在平面基材上液滴宽展、聚并慢、无方向运动，三维轮廓证实编织网各向异性纹理提升效率。性能对比中HWSA收集速率最高；20次循环效率不显著下降；与已发表设计相比具竞争力；表面具优异自清洁性。

讨论部分总结：研究人员指出单一润湿性表面分别受限于成核慢或水膜滞留，平面杂化表面缺少结构各向异性因而排液无力；编织网孔本身提供方向通道，使亲水成核与疏水定向脱附协同，提高表面刷新率与集水效率。该工作把生物启发、杂化润湿与结构各向异性集成于可扩展电镀-改性-喷涂流程，平衡了捕获与脱附矛盾，并为野外苛刻环境下的耐久集水与抗污自清洁提供路径。

Conclusions 翻译：总之，研究人员通过简单、低成本工艺制备出集成杂化润湿性与各向异性的仿生表面。HWSA表面实现4.3 g cm^?2 h^?1的雾收集效率，显著高于单一润湿表面与平面基底杂化设计。亲水液滴成核位点与各向异性疏水沟槽的协同作用实现快速液滴捕获、高效聚并与加速脱附，从而提高表面刷新率和整体收集性能。此外，HWSA表面表现出优良的循环稳定性与自清洁能力。该简便且可扩展的制备策略为干旱及水应激地区的淡水短缺问题提供了实用方案。