天津大学曹墨源:仿生雾水收集——向天空寻求解决淡水危机的方法

水是生命之源,即使在科技发达的今天,我们的技术仍然无法满足所有人的用水需求。在我们的蓝色星球上,还有许多人因为无法获取廉价饮用水而不得使用不洁净的水。其中,依靠直接饮用地表水生活的人数就占到了1.4亿之多1。洁净的饮用水难以普及的重要原因是目前的反渗透、蒸馏、生化处理等净水方式,无论是在价格成本、能量消耗以及维护成本上都难以满足落后、偏远地区的需求。生活在赤贫边缘的人们又怎么能用得起这些现代化设备来获取饮用水呢?因此,发展一种设备造价低廉,维护工艺简便且不需要任何外加能量的淡水收集方法,不仅可以成为我国边缘地区饮用水资源的一种有效补充方法,更是全世界饱受缺乏淡水危机之苦的人民的福音。

自然界的生物经过亿万年的演变,通过“物竞天择,适者生存”的层层筛选,进化出了具备高效率、低能耗的生存方式,其中尤其体现在动植物特殊的汲水能力之上。生活在沙漠的动植物早已掌握了从空气中获取水源的绝招。在一些干旱多雾的地区(如智利北部或美国太平洋海岸等地),高大的植被依靠拦截海洋吹拂到大陆的空气中的雾滴以获得淡水2-5。从远古时期以来,生活在这些地方的人类就一直以雾水作为有效的饮用水源,受当地植物带来的灵感,人类很早就学会了“靠树吃水”6——例如加纳利群岛的居民几个世纪以来一直用能够收集雾气的树作为可用水的唯一来源7。如此可知,从雾气中获取淡水是一种在干旱或半干旱地区的有效解决方式8-9。向自然界学习,通过解析在具有高效集雾能力的动植物的生存“秘籍”,就有希望指导我们设计出兼具高效、低耗的雾水收集器。

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图一:被用来“靠树吃水”的“喷泉树”,这种树木可以拦截空气中的水分,每天捕获的水可以成为当地人全天的饮用水来源。

近年来,随着科学家们不断的探索,自然界中可以高效收集雾水的生物被越来越多地研究,而其中针对“雾滴收集、液体输运、水分富集”的机理也被逐渐揭示,并指导科研工作者设计新颖的仿生雾水收集界面及器件。

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图二:可以从空气中捕获水分的生物原型,结构探究以及仿生高效雾水收集器10-12a)沙漠甲虫;b)沙漠仙人掌;c)蜘蛛丝。 

其中最为著名的要属可以在沙漠中获取水分的雾姥甲虫。每个沙漠的清晨,小甲虫都会找到较高的沙丘,抬起它的背部迎接来自海岸的雾气流。随着雾水的逐渐凝结,甲虫也汲取了一天所需要的水分。2001年,AndrewR. Parker等人就提出了沙漠甲虫的雾气收集原理13,这种神奇的小生物具有亲疏水结合的背部结构,暴露在湿润雾流中时,它倾斜自己的身体以拦截雾气,水滴可以在亲水的鼓包上凝结并生长到整个亲水区域的大小,之后随着液滴的增加,水球的表面能逐步上升,当液滴的表面能逐渐大于界面的表面能时,液滴会流到疏水的界面,进而滚落至其口中。进而,作者还将小玻璃球嵌入涂油热蜡的显微镜载玻片中以模拟这种独特的表面结构,发现雾水收集效率得到提升。这种亲疏水结合的雾气收集方式让科学家们获得了极大灵感——亲水区域高效捕获雾滴、疏水区域快速传输液体。通过在平面上构建做出亲疏水结合的图案,科研工作者也进一步实现了此类仿甲虫结构的雾/露水收集界面,例如集水织物14,集雾板材15,精密冷凝器件等16

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图三:仿沙漠甲虫亲疏水结合雾水收集器:a)沙漠甲虫的表面蜡质结构 b)采用亲疏水结合的仿沙漠甲虫二维平面结构 c)采用表面凸起的精密冷凝器件。 

正如任何欣赏过挂满露珠的蜘蛛网的人所发现的,在晨雾中结满的蜘蛛丝可以有效地收集水分,并将它们凝结成小液滴,像珍珠一样串在蛛网上。为了研究这种神奇现象的原理,通过深入观察,在2010年,由江雷院士领导的科研团队在一篇Nature中指出,可以捕获晨雾中水汽的蛛丝纤维是一种独特的锥形结构,而且只有在润湿之后才能形成。这种锥形结构可以产生拉普拉斯压力的差异,结合各向异性结构特征所带来的表面能量梯度共同作用,可以实现在蜘蛛丝主轴结周围的水滴连续冷凝和定向收集17。受此启发,江雷院士团队设计出了模仿蜘蛛丝结构特征的人造纤维,并且制备了一系列带有纺锤结的人造蜘蛛丝。通过巧妙地设计表面纳米结构和的计算推导,作者证明通过优化纤维表面的曲率,加以化学和粗糙度梯度的配合,就可以实现微小液滴的可控输运。这项研究将为设计智能定向驱动微小液滴和高效雾水收集上提供一种新的思路。对未来智能材料和设备的设计具有很强的借鉴意义18

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图四:a)湿润状态下的蛛丝;b)湿润状态下蜘蛛丝结构;c)锥形结构可以通过拉普拉斯压将液滴定向输运到纺锤结的位置。

仙人掌是沙漠中的生存能手,其多肉的内茎和针状的叶子可以最大程度地保证水分的贮存。很多朋友从儿童时期就对这个“刺头”充满了好奇,科学家们也是如此。尽管早在1986年,Nobel等人就对仙人掌在极端干旱环境下的生存能力进行了系统地调查研究19,但多是从植物学角度剖析它对水分的摄取及保存的。通常认为,仙人掌在自然进化中逐渐形成了自己独特的生存模式:它的茎肥厚多汁,有发达的薄壁组织细胞可以用于储藏水分;并且它的表皮具有厚而硬的蜡质层,还生有密集的绒毛覆盖,从而可以避免和减少阳光照射,降低水分蒸发。不仅如此,仙人掌还具有强大的根部结构,可以在深入地下数十米找到并吸收水分,一旦遇到降雨,它就会在表层长出许许多多的新根,大量吸水。并且它的大根还有很厚的木栓组织保护,即使在灼热的沙石上生活也不会被干死。同时针状的叶子可以降低水分的蒸腾,实现高效保水的能力。2012年,Ju等人通过深度观测仙人掌在雾气中的液滴收集行为,首次阐述了仙人掌锥形针刺和亲水绒毛在雾滴捕获和液体输运的机理,并提出了此类沙漠植物空气取水的全新机理。仙人掌具有锥形结构的疏水针刺可以将拦截微米级的雾滴,所收集的小液滴在拉普拉斯压的作用下定向从尖端到根端移动,最终和底部亲水绒毛相遇而被迅速吸收,为其在干旱多雾地区的生长提供水分补充20

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图五:a)液滴在仙人掌针刺上的定向输运;b)液滴受拉普拉斯压的作用下从尖端定向输运到根端,并在根部被亲水绒毛迅速吸收。

 受仙人掌疏水锥刺针刺和亲水绒毛启发,一系列基于锥形疏水针刺阵列12, 21,以及亲疏水协同结构的雾水收集器件被设计出来22-23。这些仿生雾水收集器件不仅可以高效的捕获液滴,还能够定向输运液体,最终实现淡水的贮存。具有定向输运液体能力的界面,可以有效的避免收集液体的二次蒸发,显示出更加可靠产水能力22, 24。为了增强集雾器捕获液滴的能力和自发液体输运能力,本课题组利用突起直行针刺结构与亲/疏水条带结构进行整合,设计了具有多层次亲/疏水协同结构的高效雾水收集器,实现了所收集液滴的逆重力输运。在亲/疏水Janus结构的帮助下,突起结构所收集的液体将会在自身表面能的推动下主动向材料内部输运,实现了液体的收集+贮存的全过程25。此类设计也利用对称的直针简化了类仙人掌的锥形针,实现了效果相当的雾水收集过程,推动了此类仿仙人掌集雾界面向实际应用进发。

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图六:仿沙漠仙人掌的雾水收集器:a)磁响应的锥形仿仙人掌集雾器;b)通过拉普拉斯压驱动的“自泵”雾水收集器;c)亲/疏水Janus结构的定向雾水收集器;d)平面结构的高效低耗雾水收集界面。 

为进一步降低仿仙人掌集雾器的成本和制备难度,天津大学化工学院曹墨源课题组近期通过将仙人掌锥刺和我国传统剪纸艺术相结合,提出了一种将三维的仙人掌针刺结构压扁为平面结构的高效低耗雾水收集界面。这种雾水收集器的设计只需剪纸和浸涂两步就可以完成制备。不仅实现了高效液滴捕获、液滴定向驱动和收集,还可以降低制备难度和减少材料成本。此类仙人掌剪纸界面,在比传统集雾器成本降低十倍以上的同时,在收集效率上比竖琴状界面提高了1.6倍,比纯平面雾水收集界面提高了11倍。此外,热蜡浸涂的处理工艺还赋予了这种雾水收集器在炎热地区自修复的能力。这项研究在为仿生不对称界面实现流体操控的研究提供了范例,为雾水收集、蒸汽冷凝提供新方法的同时,也为干旱而缺水的地区提供了一种可行的解决思路26

自然界的启发为人类带来了无穷无尽的灵感,基于自然界生物启发而提出的雾水收集界面已经取得了许多进展,在设计原则和收集机理方面已经奠定了一定的基础。随着效率不断增加,成本也在不断降低,仿生雾水收集器将会更多的应用于干旱多雾地区、高山密林地区的淡水获取,可以作为现在饮用水生产方式的重要补充,为更多人类提供清洁、可靠的饮用水源。

来源:高分子科学前沿

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