霧水收集對解決水資源短缺具有重要的意義，如何提升霧水收集效率一直是研究熱點(diǎn)。高效的霧水收集需要同時(shí)滿(mǎn)足高效捕捉和快速傳輸兩個(gè)嚴苛的條件。受大自然啟發(fā)，制備合適的仿生系統被認為是實(shí)現這兩個(gè)嚴苛條件的有效方法。然而，目前制備的仿生系統結構單一，精度較低，無(wú)法實(shí)現高效的霧水收集。

近日，西南科技大學(xué)李國強教授領(lǐng)導的仿生微納精密制造團隊，受小麥麥芒啟發(fā)，利用PμSL3D打印技術(shù)（深圳摩方材料科技有限公司，nanoArch® S130）構造了仿生麥芒分級系統，實(shí)現了高效的霧水收集。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設計的仿生麥芒霧水收集系統，表面分布有眾多微型刺狀取向收集器，擴大了收集的有效面積，增強了霧滴捕捉效率，并突破傳統結構下滴狀傳輸的限制，實(shí)現了高速的膜狀傳輸，極大地提高傳輸速度和收集效率。該系統的水霧收集效率可達5.9g/cm2·h，有望應用于液滴傳輸、藥物運輸、細胞牽引、海水淡化等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

圖1 自然麥芒結構特征、霧水收集過(guò)程及仿生麥芒系統的制備過(guò)程。a.小麥麥芒捕捉潮濕空氣中的小水滴。b.麥芒逆重力超快霧滴輸運過(guò)程。c-e. 自然麥芒的分級結構SEM表征。f. PμSL 3D打印系統制備仿生麥芒分級系統的示意圖。

圖2 自然麥芒與仿生麥芒的結構特征及演變規律。a-c.自然麥芒表面微刺、凹槽的結構特征統計曲線(xiàn)圖。d-e.5種不同結構形式仿生系統示意圖。f-g. 不同結構形式仿生系統的表征。h.仿生麥芒隨微刺數目增加的結構演變示意圖。

要點(diǎn)：小麥麥芒可從潮濕空氣中捕捉微小霧滴作為水分供給。這種高效的霧水收集能力主要是源于表面的錐形脊柱、梯度凹槽、方向性刺集成的分級微納系統。通過(guò)對結構特征的分析，借助PμSL打印技術(shù)的高精度性、自由性對結構進(jìn)行拆解、重新整合，并根據結構的演變過(guò)程優(yōu)化構建模型，編程調控制備了不同結構形式的仿生系統，包括仿生脊柱系統（A-spine）、仿生凹槽系統(A-grooves)、仿生麥芒系統體系(A-awn-2、A-awn-3、A-awn-4）。

圖3 不同結構形式仿生麥芒的霧水收集過(guò)程。a-e. 仿生脊柱（Ⅰ）、仿生凹槽（Ⅱ）、仿生麥芒體系（Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）在水霧環(huán)境下逆重力的霧滴捕捉輸運過(guò)程。

圖4 仿生麥芒的水霧收集作用機理。a-c. 仿生脊柱（Ⅰ）、仿生凹槽（Ⅱ）、仿生麥芒體系（Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）逆重力下的霧滴運輸距離、速度、體積的統計曲線(xiàn)圖。d-f. 仿生脊柱、仿生凹槽、仿生麥芒體系的霧水收集機理分析。

要點(diǎn)：通過(guò)在水霧環(huán)境下觀(guān)察，在仿生脊柱與仿生凹槽結構表面，霧滴以大液滴的形式進(jìn)行定向地輸運——滴狀傳輸。但在仿生麥芒系統體系表面，無(wú)明顯大液滴出現，相反霧滴是以一層薄水膜進(jìn)行定向輸運——膜狀傳輸。液體傳輸模式的轉變主要是受表面微結構所影響。脊柱與凹槽單級仿生結構系統，難以實(shí)現對霧滴快速高效的捕捉，無(wú)法在表面形成連續穩定的液體薄膜，所捕捉液滴易受周?chē)旱蔚奈喜⒊纱笠旱芜M(jìn)行傳輸。當其體積增大到某數值時(shí)，結構所產(chǎn)生的拉布拉斯力無(wú)法繼續驅動(dòng)液滴運動(dòng)，最終釘扎在表面。而仿生麥芒分級系統體系，由于表面附加了眾多的微型刺狀取向收集器，增強了霧滴捕捉能力，實(shí)現快速的潤濕過(guò)程，在表面形成連續穩定的液體薄膜。且與表面其他微滴合并凝結相比，微滴在水膜表面滑動(dòng)的所需時(shí)間更短，因此更傾向于沿水膜表面運動(dòng)，使得傳輸速度和收集效率得到顯著(zhù)的提升。實(shí)驗結果表明，膜狀傳輸的速度要比滴狀傳輸高40倍，可實(shí)現3.5 mm/s的傳輸速度和 5.9 g /cm2·h的收集效率。

該工作以 “Programmable 3D printed wheatawn-like system for high-performance fogdropcollection” 為題發(fā)表在著(zhù)名期刊《Chemical Engineering Journal》上。該項工作得到了國家自然科學(xué)基金委、四川省科技廳等基金項目的支持。