基于仿生材料的沙漠地區(qū)水汽收集研究進(jìn)展

胡安焱，付穩(wěn)東，蘇 強(qiáng)，劉玥彤，李子樂(lè)

(長(zhǎng)安大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

1 沙漠地區(qū)水汽收集的意義

地球上的水量是穩(wěn)定的和不斷循環(huán)的，淡水所占比例很小；而淡水中只有一小部分的水被人類和生物利用。具有吸濕結(jié)構(gòu)的植物和納米比亞沙漠甲蟲(chóng)解決缺水問(wèn)題的方法表明沙漠地區(qū)空氣中有寶貴的水資源。空氣中的水量由三個(gè)主要參數(shù)決定，包括相對(duì)濕度、空氣溫度和總氣壓。缺水是沙漠地區(qū)生物生存面臨的最大挑戰(zhàn)；因此，如何進(jìn)行水汽收集是干旱區(qū)生物迫切需要解決的問(wèn)題。

近年來(lái)發(fā)展的濕空氣制水技術(shù)具有安全性好、利用簡(jiǎn)單、太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電靈活、效率高、成本低等特點(diǎn)，但由于天氣條件的限制而效率低下。隨著材料科學(xué)和仿生技術(shù)的發(fā)展，尋找安全可靠、能耗低、成本低的新型水汽收集材料成為趨勢(shì)[1]。

2 自然界生物水汽收集原理

(1)沙漠甲蟲(chóng)：納米比亞沙漠甲蟲(chóng)由于表面具有親水-疏水模式，因此具有優(yōu)越的捕霧能力，親水模式捕獲水分，然后通過(guò)疏水區(qū)域輸送[2]。

(2)蜘蛛絲：蜘蛛絲的微納米結(jié)構(gòu)及其組成蛋白質(zhì)序列對(duì)蜘蛛絲優(yōu)異的化學(xué)和物理性能起著重要作用。隨著環(huán)境中水汽濕度的增加，蜘蛛網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)變?yōu)橹芷谛缘募忓N體結(jié)構(gòu)，隨后節(jié)點(diǎn)處的水霧出現(xiàn)定向移動(dòng)現(xiàn)象，收集水汽[3]。

(3)沙漠蜥蜴：沙漠蜥蜴身上具有蜂窩狀的鱗片，鱗片之間有復(fù)雜的毛細(xì)管系統(tǒng)。蜂窩狀結(jié)構(gòu)使表面超親水使水汽冷凝；通過(guò)毛細(xì)管系統(tǒng)向蜥蜴口腔輸水[4]。

(4)仙人掌刺：仙人掌具有完整的捕霧系統(tǒng)是由于潤(rùn)濕性差和拉普拉斯壓力梯度的共同作用。仙人掌脊柱的表面凹槽使其具有很強(qiáng)的集霧和后續(xù)輸水能力[5]。

(5)沙漠針茅：在納米比亞沙漠中的針茅草有縱向的運(yùn)行凹槽，它攔截霧流中的水滴，把它們引到植物的底部，最后達(dá)到根部[6]。

(6)其它生物：生物結(jié)皮的存在有利于沙漠地表凝結(jié)水的形成[7]。豬籠草光滑的內(nèi)表面生長(zhǎng)有微刺結(jié)構(gòu)，收集水汽，凝結(jié)成液滴[8]，通過(guò)水罐裝置定向輸送。

3 仿生超級(jí)親水和超級(jí)疏水材料

3.1 仿生超級(jí)親水和超級(jí)疏水材料

受沙漠甲蟲(chóng)的啟發(fā)，具有親水-疏水性能的銀納米線可以高效地從潮濕空氣中獲取水分。蜘蛛絲的特性激發(fā)了許多應(yīng)用，如水收集器等，拉普拉斯壓力和濕潤(rùn)梯度的協(xié)同作用在水收集以及連續(xù)、定向和遠(yuǎn)程傳輸中起著至關(guān)重要的作用[9]。以蜥蜴的身體結(jié)構(gòu)為模板，設(shè)計(jì)了多種聚合物和金屬人工表面，用于水的收集和保存。模擬仙人掌脊錐的集水特性，構(gòu)建了錐形微針尖具有捕霧能力，集水效率高[10]。隨著界面化學(xué)和仿生材料科學(xué)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的仿生超疏水/超親水材料被設(shè)計(jì)和制備出來(lái)，包括自清潔、水收集、液體輸送和分離等[11-12]，見(jiàn)表1所示。

表1 生物水汽收集特點(diǎn)及其仿生材料

表2 用于水汽收集的仿生物組合材料

3.2 不同仿生材料結(jié)合的水分收集方式

受納米比亞沙漠甲蟲(chóng)和仙人掌刺上特殊結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，由直立的鋼針、親水的三聚氰胺樹(shù)脂泡沫和疏水的二氧化硅條帶組成新的集水材料，提高了霧收集效率[13]。以蜘蛛絲和沙漠甲蟲(chóng)為靈感制備高集水效率的超濕潤(rùn)材料和超親水圖案[14]。在納米比亞甲蟲(chóng)和針茅啟發(fā)下，制備了一種各向異性的混雜表面；超親水軌道構(gòu)建在超疏水表面上，增強(qiáng)了霧的捕獲和快速輸送能力，提高了集水效率[15]。

結(jié)合仙人掌、豬籠草和沙漠甲蟲(chóng)優(yōu)勢(shì)的新方法[16]。研究人員設(shè)計(jì)出類似沙漠甲蟲(chóng)的凸起。他們將凸起與類似仙人掌刺的不對(duì)稱斜坡結(jié)構(gòu)結(jié)合。凸起用于將水汽生成液滴，斜坡用于定向輸送收集的液滴。同時(shí)，從豬籠草中提取的分子光滑潤(rùn)滑劑被固定在納米結(jié)構(gòu)上，收集水量的效率更高。通過(guò)仿生沙漠甲蟲(chóng)的背部和蜘蛛絲，在棉織物上制備了超疏水表面并噴涂Tio2納米溶膠，產(chǎn)生超親水凸點(diǎn)，產(chǎn)生形狀梯度和潤(rùn)濕性梯度，水的收集效率提高很大。雖然已經(jīng)制造了各種仿生組合材料來(lái)收集霧和輸送水，但是很難設(shè)計(jì)出能夠同時(shí)快速凝結(jié)水和輸送水的表面[16]。用于水汽收集的常用仿生物組合材料見(jiàn)表2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

目前基于仿生原理的干旱沙漠地區(qū)空氣中水汽收集研究存在的問(wèn)題與展望如下：

(1)開(kāi)發(fā)多種新材料提高仿生效應(yīng)。雖然仿生技術(shù)取得了一些進(jìn)展，但很難高度恢復(fù)原始生物的屬性。開(kāi)發(fā)多種新材料是提高仿生效應(yīng)的途徑。

(2)將計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能技術(shù)結(jié)合到仿生學(xué)中，快速、精確、準(zhǔn)確地控制仿生材料的合成。

(3)超疏水/超親水材料面臨挑戰(zhàn)，需要設(shè)計(jì)和利用具有響應(yīng)性或智能性的智能材料。(4)仿生材料與新技術(shù)不斷融合。仿生材料(如硅藻土-海藻酸鹽等)和新技術(shù)(包括3D打印等)不斷融合對(duì)于在干旱沙漠地區(qū)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的集水供水具有重要的意義。