江雷院士、董智超《PNAS》:仿猪笼草结构表面可在潮湿环境中连续收集和输送水

由于人口的增长,对淡水的需求有望不断增加。淡水短缺影响了全球40%以上的人口,而且预计还会增加,特别是在世界上一些最贫困的国家,农民为满足农业用水,几乎排干了中亚的一个巨大的内陆湖泊。开发新的水源将有利于解决淡水短缺问题。

江雷院士、董智超《PNAS》:仿猪笼草结构表面可在潮湿环境中连续收集和输送水

在自然界中,自然生物通过独特的结构(如圆锥形的仙人掌簇,周期性的纺锤节和蜘蛛丝的关节,多形棘突棘和瓶子草的毛状体)将雾逐滴凝结收和运输。这些自然表面上存在的表面能梯度或结构梯度在集水中起着至关重要的作用,可以引起的拉普拉斯压力驱动收获的水滴在其干燥表面上的运动。这种情况在实际使用中会导致严重的问题:液滴沿梯度传输,需要融合成大液滴,然后沿网,线或基材滑落或滴落,限制了液滴的收集效率。因此,设计能够使液滴快速生长并尽快脱落的表面至关重要。

近日,江雷院士、董智超等人揭示了猪笼草植物的骨膜上水滑层的生成机理,并证明了多曲率增强的优良集水和运输能力。研究表明,猪笼草表面的棘齿上的水滴成核,通过凹坑稳步增加的自收集水量以及将获取的水运到溢流处整个蠕动的拱形通道。用水浸透的蠕动表面可以进一步将水的传输速度提高约300倍。这种多尺度曲率设计的灵感为水和有机蒸汽收集器提供了可行性策略,并可延伸至蒸发塔,化学工业,实验室甚至厨房的应用范围。相关工作以“Liquid harvesting and transport on multiscaled curvatures”发表在PNAS

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猪笼草蠕动表面的结构及集水输水机理

扫描电子显微镜(SEM)图像猪笼草每个牙齿都有一个圆锥形的形状(棘齿),相邻棘齿之间的凹面形成一个凹形结构(张角α为45°),由高度定向层次结构的脊组成,沿着棘齿表面规则分布。在较大的山脊中,亚毫米级和微米级鸭嘴状腔体结构从内侧到外侧排列在弯曲的蠕动表面上,形成拱形通道(曲率半径约为2.3 mm)。当干的蠕动表面在相对湿度为95%的雾中放置时,具有不同曲率的棘轮,凹面和拱形通道结构形成了蠕动表面特征可以连续快速地收集和输送冷凝水,这是锥形棘轮所产生的拉普拉斯压力和凹面处的吸力的协同输送作用引起。即使齿尖指向下方,棘轮齿和凹面也会增加拉普拉斯压力,从而导致凹面中积聚的水在垂直方向自发地爬到骨膜表面,然后在拱形处溢流,形成薄水层,水输送速度为7644±766μms-1,比仙人掌脊柱和蜘蛛丝的水输送速度快200倍。在拱形通道形成“连通容器”后,提高集水效率。棘轮侧的小液滴将聚集在弓形另一侧的较大液滴,在棘轮、凹面和弧形曲率的综合作用下驱使水从内侧运动到外侧,并提高了运输速度。

江雷院士、董智超《PNAS》:仿猪笼草结构表面可在潮湿环境中连续收集和输送水

图1 猪笼草结构及集水机理图

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图2 蠕动结构上的水凝结和输送过程

仿猪笼草结构的集水器

作者通过3D打印方法构造了一个人造的蠕动式集水器。研究表明,在95%雾中,集水器膜表面从干燥状态转变为潮湿状态需要100秒,每个拱的平均集水速度为3.5×10-3g cm-2·s-1,输水速度为4.6 mm s-1。100 s之后,覆盖曲面的收集水充当连接收集点和收集点的连通容器,加快了集水效率,在20 s的相同时间内,通过湿通道收集了5.4×10-1g的水,平均集水量为6.8×10-2 g cm-2·s-1,几乎比干燥表面快20倍。冷凝水可以在覆盖水的表面上高速滑动。湿表面的最大水传输速度达到1.2×103 mm s-1,这比干表面的最大水传输速度大260倍。表明蠕动结构表面是一种独特的表面模型,可实现高效率集水输水。同时,将这种蠕动结构表面引入到PVA水凝胶和PDMS油凝胶时,可实现水汽和油相蒸气的收集(收集有机蒸气的速率分别为:异丙醇:4.2×10-3g cm-2·s-1;煤油:3.7×10-3g cm-2·s-1汽油约为3.4×10-3g cm-2·s-1;乙二醇约为2.5×10-3g cm-2·s-1),比受蜘蛛丝,书脊和光滑的水罐表面启发的人工收割机实现了更高的收割速度和运输速度。

江雷院士、董智超《PNAS》:仿猪笼草结构表面可在潮湿环境中连续收集和输送水

图3.人造蠕动水收集器。

江雷院士、董智超《PNAS》:仿猪笼草结构表面可在潮湿环境中连续收集和输送水

图4 多功能液体收集器装置。

小结:作者证明了猪笼草的蠕动结构的水分收集机制,并利用基于多曲率的仿生结构来收集水和油雾。这中结构功能关系对设计新颖的材料和设备,以从雾中收集水并以高效率输送冷凝水,提供了一种可行性策略。

全文链接:

https://www.pnas.org/content/early/2020/09/03/2011935117

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