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  由于全球氣候變化、人口快速增長(zhǎng)和日益嚴(yán)重的水污染，全世界數(shù)十億人面臨著嚴(yán)峻可用淡水資源缺乏的問題。霧水收集技術(shù)是從空氣中捕獲水蒸氣或霧氣等，該技術(shù)已被應(yīng)用于多霧地區(qū)收集淡水，是一種可持續(xù)和低成本獲取可飲用淡水的方法。然而，單一仿生霧收集裝置無法滿足人類快速增長(zhǎng)的用水需求，將多個(gè)生物的捕霧結(jié)構(gòu)優(yōu)化到一個(gè)收集裝置上是該技術(shù)新的發(fā)展方向�？梢�，系統(tǒng)總結(jié)具有較高霧水收集效率和可持續(xù)性多生物協(xié)同啟發(fā)霧水收集裝置的研究進(jìn)展，對(duì)提高霧水收集效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1：從單一到多生物協(xié)同啟發(fā)的霧水收集裝置示意圖

1. 常見的具有捕霧能力的生物

  為了在極端干旱的條件下生存，許多生物進(jìn)化出了特殊的的結(jié)構(gòu)和潤(rùn)濕性，這使得它們能夠在霧流中獲得寶貴的水分。本文從表面結(jié)構(gòu)到理論分析，具體介紹了甲蟲、仙人掌、蜘蛛絲和豬籠草四種典型生物。

  納米比亞沙漠甲蟲在霧流到來時(shí)，都會(huì)找到較高的沙丘，抬起它的背部迎接來自海岸的霧氣流。霧氣在其背部親水區(qū)域聚集成水滴，然后在重力的作用下沿著疏水區(qū)域滑落到甲蟲的口腔中，從而獲得一天所需要的水分。仙人掌為了適應(yīng)炎熱干燥的氣候，減少水分的蒸騰作用，將葉子進(jìn)化成針狀。此外，仙人掌尖刺由方向性倒刺、梯度凹槽和帶狀毛狀體三部分組成。仙人掌棘錐形非對(duì)稱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉普拉斯壓差與梯度槽產(chǎn)生的表面能量梯度協(xié)同作用，使液滴從尖端到底部定向運(yùn)動(dòng)。掛滿露珠的蜘蛛網(wǎng)讓人們意識(shí)到這種一維材料也有其獨(dú)特的捕霧技巧。研究發(fā)現(xiàn)蜘蛛絲在潮濕條件下會(huì)形成周期性的紡錘結(jié)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生拉普拉斯壓力差，結(jié)合各向異性結(jié)構(gòu)特征所帶來表面能量梯度共同作用，可以實(shí)現(xiàn)在蜘蛛絲主軸結(jié)周圍水滴連續(xù)冷凝和定向收集。江雷院士團(tuán)隊(duì)在豬籠草口器邊緣發(fā)現(xiàn)連續(xù)的的定向水輸送，由于其在微尺度和納米尺度上的分級(jí)結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)了在輸送方向上毛細(xì)上升增強(qiáng)，并通過釘住任何反向移動(dòng)的水前緣防止回流，使得站在口器邊緣的昆蟲能夠迅速的滑落到豬籠草的消化袋中。這種獨(dú)特的潤(rùn)濕特性能夠加速霧水收集裝置表面液滴的滑落，為霧水收集裝置的設(shè)計(jì)提供了新的思路。

2. 霧水收集理論

  最常見的霧水收集裝置是網(wǎng)格或平面結(jié)構(gòu)，它們大多垂直于霧流放置。霧流在吹向裝置表面時(shí)，霧滴在與裝置碰撞的過程中將動(dòng)能消耗殆盡，并在表面逐漸凝結(jié)。當(dāng)表面凝結(jié)的霧滴重量大于裝置對(duì)其的粘附力后，液滴在重力的作用下落入容器中。顯然，整個(gè)霧水收集過程可以分為兩個(gè)主要部分:霧滴捕獲和水滴輸送。

  霧滴捕獲主要與空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)。當(dāng)霧流吹向霧水收集裝置時(shí)，會(huì)受到來自裝置產(chǎn)生的阻力而產(chǎn)生偏移，即氣動(dòng)偏差(圖3a-b)。適當(dāng)?shù)卦黾友b置的孔徑，能夠提高霧流與裝置直接碰撞的頻率，從而增大霧滴捕獲的效率。此外，當(dāng)霧滴吹向裝置表面時(shí)，沿物體表面垂直方向存在速度梯度，這一薄層稱為邊界層(圖3c-d)。霧流運(yùn)動(dòng)的速度與邊界層的厚度負(fù)相關(guān)，而越光滑的表面，邊界層越厚。合理的霧水收集裝置設(shè)計(jì)需要將邊界層這一因素考慮在內(nèi)。

3. 多生物協(xié)同啟發(fā)的霧水收集裝置

  僅模仿一種生物捕霧特點(diǎn)所制備出的霧水收集裝置的捕霧效果是有限的。如納米比亞沙漠甲蟲表面捕捉到的霧直到體積大于臨界尺寸才會(huì)向下滑落，仙人掌刺和蜘蛛絲可以將捕獲的液滴定向聚集在一起，但缺乏從霧流中捕獲霧滴的能力，且捕獲的液滴在運(yùn)輸過程中不可避免地會(huì)再次蒸發(fā)，而豬籠草潤(rùn)滑表面可以高效輸送霧滴，但在霧流捕獲方面能力較弱。為了進(jìn)一步增加霧水收集效果，有必要制備結(jié)合多種生物優(yōu)勢(shì)的霧水收集裝置。如何在合理利用生物特征并簡(jiǎn)化制備過程一直是研究者們困惑的問題。

  近年來，隨著研究的深入，基于多種生物協(xié)同啟發(fā)，通過一些巧妙的設(shè)計(jì)，各種高效的多生物協(xié)同啟發(fā)的霧水收集裝置被廣泛報(bào)道。王玉忠院士團(tuán)隊(duì)在微孔表面集成了四種生物的特性（圖4a-f），包括來自納米比亞沙漠甲蟲親/疏水圖案化的表面，用于霧流中的水滴捕捉；來自豬籠草超滑表面，用于水滴快速運(yùn)輸；來自仙人掌尖刺楔形親水圖案，用于膜表面液滴的定向運(yùn)輸；以及受腎蕨啟發(fā)的不對(duì)稱排列的陣列，以減少收集屏障。郭志光教授團(tuán)隊(duì)除了將親/疏水圖案化表面，超滑潤(rùn)濕性，以及仙人掌尖刺引入材料設(shè)計(jì)外，還創(chuàng)造性地將與水生植物類似凸起結(jié)構(gòu)引入到霧水收集裝置設(shè)計(jì)中（圖4g-i），這種親水凸起能產(chǎn)生毛細(xì)作用力，使各個(gè)方向水滴迅速被吸引到凸起位置。

4. 多生物協(xié)同啟發(fā)的霧水收集裝置所面臨的挑戰(zhàn)

  （1）霧水收集裝置的設(shè)計(jì)策略主要是以仿生學(xué)為基礎(chǔ)，尋找更多具有高效霧水收集能力的生物并模擬其結(jié)構(gòu)是提高霧水收集裝置捕霧效率的另一個(gè)思路。

  （2）霧采集的理論和機(jī)理有待進(jìn)一步探討。盡管有大量的霧水收集裝置被報(bào)道，但很少有人關(guān)注樣品結(jié)構(gòu)與霧收集效率間的構(gòu)效關(guān)系，如受納米比亞沙漠甲蟲啟發(fā)的霧水收集裝置中，關(guān)于親水和疏水區(qū)域的最佳比例仍然沒有定論。

  （3）捕霧過程在室外進(jìn)行的，強(qiáng)風(fēng)(甚至含沙)可能會(huì)對(duì)裝置造成損壞，因此，如何提高霧水收集裝置的耐久性和穩(wěn)定性需要更多的關(guān)注。

  （4）報(bào)道的捕霧實(shí)驗(yàn)大多是在高濕度(60%以上)條件下進(jìn)行的，這與實(shí)際應(yīng)用(干旱區(qū)的極低濕度)有很大差異，未來的研究應(yīng)該更多地關(guān)注低濕度條件。

  （5）在長(zhǎng)期霧水收集過程中，潮濕的表面容易滋生細(xì)菌。此外，功能涂層可能會(huì)隨著水滴一同滑落，這也可能會(huì)污染捕獲到的霧水。

  （6）有必要建立統(tǒng)一的霧水收集效率評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。霧流的速度、溫度、濕度等外部因素也會(huì)影響霧的收集效率。文獻(xiàn)報(bào)道的試驗(yàn)條件和參數(shù)各不相同，因此很難對(duì)這些霧水收集裝置的綜合性能進(jìn)行比較。

5. 總結(jié)和展望

  目前多生物啟發(fā)的霧水收集裝置還相對(duì)不成熟，很難實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。研究人員在多生物啟發(fā)霧水收集裝置設(shè)計(jì)上遇到了各種各樣的挑戰(zhàn)，如制造工藝麻煩，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等。令人欣慰的是這些問題可以通過商業(yè)化的制造方法、表面/界面工程和多種功能的組合等策略來合理解決。此外，日益嚴(yán)重水資源短缺也將推動(dòng)對(duì)有前途的霧收集技術(shù)的進(jìn)一步研究和創(chuàng)新。未來的研究將會(huì)繼續(xù)完善霧水收集裝置設(shè)計(jì)，縮小基礎(chǔ)研究與應(yīng)用技術(shù)之間的差距。一旦通過進(jìn)一步的創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)高效、低成本的霧水收集裝置制備，將成為實(shí)現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202200359