聯(lián)合國2020年《全球水資源開發(fā)報告》中就指出，全球有近50%的人口處于不同程度的缺水狀態(tài)。淡水是自然生物賴以生存的重要依賴，但淡水資源僅占全球水資源的3%，如何有效獲取淡水資源具有重要意義。水霧是淡水資源存在的主要形式之一，其分布廣泛且可循環(huán)再生，因此開發(fā)可高效、穩(wěn)定收集水汽的功能材料有望改善潮濕但缺水地區(qū)的淡水短缺問題，具有重要價值。
自然界中存在一些可依靠自身獨特結(jié)構(gòu)直接從潮濕環(huán)境中汲取水分的生物，為水汽收集材料的設(shè)計提供了思路。近年來，四川大學(xué)化學(xué)學(xué)院宋飛教授團隊開展了系列可高效霧中集水的仿生水汽收集材料研究工作（ACS Sustainable Chem. Eng. 2018, 6, 14679?14684；Chem. Eng. J. 2019, 369, 1040?1048；ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 12373?12381）。例如：受納米布沙漠甲蟲背部結(jié)構(gòu)啟發(fā)的抗菌超親水/超疏水圖案化纖維素膜（ACS Sustainable Chem. Eng. 2018, 6, 14679?14684），其集水效率可達到1043 mg cm –2 h –1。但疏水表面長時間暴露在高濕環(huán)境中易喪失疏水性，不利于長期穩(wěn)定使用。受豬籠草潤滑表面所啟發(fā)，通過在纖維素膜表面構(gòu)筑微納多級結(jié)構(gòu)并灌注硅油（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 12373?12381），有效提升了表面的儲油穩(wěn)定性和持續(xù)集水性能。
然而，潤滑表面普遍疏水，集水效率不高。盡管可選擇親水潤滑油構(gòu)建潤滑表面，但集水性能的提升幅度仍十分有限。為此，該團隊將多種生物特性相結(jié)合，實現(xiàn)了水收集四個過程（包括提高水汽捕獲、促進微液滴融合、加速液體運輸、減少收集屏障）的協(xié)同優(yōu)化（圖1），制備了具有高水收集性能的圖案化潤滑-超親水表面。
圖1. 基于四重仿生的水汽收集全過程優(yōu)化示意圖
圖2. 超親水凸起結(jié)構(gòu)的制備
作者將呼吸圖案法與噴墨打印技術(shù)相結(jié)合，制備了具有超親水規(guī)則凸起結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定潤滑區(qū)的潤滑-超親水圖案化表面（圖2）。通過對比表面潤濕性差異對水汽收集過程的影響（圖3），發(fā)現(xiàn)超親水區(qū)域可有效提升表面的水汽捕獲能力，集水效率大幅提高。
圖3. 表面潤濕性差異對水汽收集性能的影響探究
觀測水收集過程可以發(fā)現(xiàn)，相比于仿甲蟲超疏水-超親水圖案化表面，該工作中潤滑液依附超親水凸起結(jié)構(gòu)形成了彎液面，產(chǎn)生的毛細作用力驅(qū)動捕獲的微液滴向超親水凸起區(qū)域自發(fā)運動并融合。作者還研究了超親水區(qū)域圖案類型以及分布對于水汽收集的影響，發(fā)現(xiàn)楔形形貌有利于形成連續(xù)的水輸送通道，進一步提升了對液滴的運輸速度。通過調(diào)整楔形超親水圖案的分布（圖4），作者發(fā)現(xiàn)恰當(dāng)?shù)膱D案分布才有利于獲得更高水收集效率。
圖4. 超親水圖案分布對水滴脫附收集的影響探究
基于上述結(jié)果，受蕨類植物啟發(fā)，作者進一步優(yōu)化超親水圖案，制備的仿蕨圖案化表面可以自發(fā)將融合水滴向“根部”輸送（圖5），既保證了充足的超親水區(qū)域用于水汽捕獲，又有效降低了水收集屏障。該表面實現(xiàn)了水汽捕獲、融合、運輸以及收集四個過程的同步優(yōu)化，水收集效率達到2166±71 mg cm –2 h –1，相比于單一潤滑表面提升幅度達到139%。
圖5. NAIPS表面水汽收集
該研究工作以“A Quadruple-Biomimetic Surface for Spontaneous and Efficient Fog Harvesting”為題發(fā)表于Chemical Engineering Journal。論文第一作者為博士研究生馮蕊，通訊作者為宋飛教授和王玉忠教授，該工作得到國家自然科學(xué)基金（52073189）等項目的資助。
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894721017046
