發(fā)布時(shí)間：2022-03-31所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： [摘要]淡水資源短缺，已經(jīng)成為制約社會(huì)進(jìn)步的一個(gè)重大發(fā)展問(wèn)題。地球上，有巨量的水分分布在空氣中，如果將之收集起來(lái)并加以利用，是解決水資源匱乏地區(qū)缺水問(wèn)題的一個(gè)有效途徑。當(dāng)前，從空氣中集取水分的傳統(tǒng)方法面臨著水滴生長(zhǎng)慢、集水效率低等技術(shù)難題。與之相比，
[摘要]淡水資源短缺，已經(jīng)成為制約社會(huì)進(jìn)步的一個(gè)重大發(fā)展問(wèn)題。地球上，有巨量的水分分布在空氣中，如果將之收集起來(lái)并加以利用，是解決水資源匱乏地區(qū)缺水問(wèn)題的一個(gè)有效途徑。當(dāng)前，從空氣中集取水分的傳統(tǒng)方法面臨著水滴生長(zhǎng)慢、集水效率低等技術(shù)難題。與之相比，自然界中生物的高效集水方法值得人類借鑒。針對(duì)從空氣中集水的需求和挑戰(zhàn)，介紹了沙漠甲蟲(chóng)、仙人掌、蜘蛛絲等自然界常見(jiàn)的生物集水方法，綜述了從空氣中集水的仿生材料的研究進(jìn)展，對(duì)當(dāng)前空氣取水技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了概括與展望。
[關(guān)鍵詞]仿生材料;空氣取水;油水分離;仿生集水纖維
淡水資源是人類社會(huì)發(fā)展的重要自然資源。盡管地球上的水量巨大，但能直接被生產(chǎn)和生活利用的淡水卻很少，僅占地球總水量的 0.26% 左右。淡水資源的可持續(xù)利用是所有自然資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用中最重要的一個(gè)問(wèn)題。當(dāng)前，全球淡水資源緊缺的態(tài)勢(shì)正在逐漸顯現(xiàn)[1-2]。
從空氣中獲取水分，為解決淡水匱乏問(wèn)題提供了新思路。空氣作為自然界水循環(huán)過(guò)程中水蒸氣存在的一種介質(zhì)[3]，攜帶著約 12.9×1012 t 的氣態(tài)水完成自然循環(huán)。合理利用這部分水資源，將有可能解決未來(lái)人類的生活用水難題。采取一定方法收集空氣中的水資源，即為空氣取水技術(shù)。由于取水原料為含濕空氣，因此該技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛，可以滿足日常生活所需，尤其適用于水質(zhì)差、水源匱乏或運(yùn)輸不便的地方，如沙漠、戈壁等干旱、半干旱地區(qū)以及高山、海島、邊防哨所等。除了傳統(tǒng)的人工降水、制冷結(jié)露、吸附等空氣取水方式，利用仿生材料聚霧取水的新方法成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[4-5]。
聚霧取水面臨的主要挑戰(zhàn)是如何控制水滴大小、形成速度及流向。特別是在炎熱的干旱地區(qū)，從空氣中收集的冷凝水的滴落速度必須比蒸發(fā)速度快，因此水滴的快速生長(zhǎng)和傳輸至關(guān)重要。傳統(tǒng)的聚霧取水一般采用巨幅尼龍屏障，吸附霧中的小液滴，并使之聚集長(zhǎng)大，大水珠沿著傾斜的尼龍線流到集水器中[3]。新型仿生材料用于聚霧取水，可保證霧滴的吸附及長(zhǎng)大過(guò)程順利進(jìn)行，并保證有效傳輸和提高取水效率。自然界中的生物是收集空氣中水分的先驅(qū)者，特別是長(zhǎng)期生活在干旱少水環(huán)境中的動(dòng)植物，惡劣的環(huán)境促使它們進(jìn)化出各具特色的生存本領(lǐng)，它們獲取水蒸氣的手段值得借鑒。
本文介紹了沙漠甲蟲(chóng)、仙人掌、蜘蛛絲等幾種常見(jiàn)動(dòng)植物所具有的特殊生物結(jié)構(gòu)，以及生命體依靠相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行空氣取水的方法，綜述了從空氣中集水的仿生材料的研究進(jìn)展，對(duì)當(dāng)前空氣取水技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了概括與展望。
1 沙漠甲蟲(chóng)集水原理及仿生
生活于非洲南部納米布沙漠中的一種沙漠甲蟲(chóng) Stenocara，掌握了一種在干旱的沙漠中獲取水的方法，這歸功于它背部獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及獨(dú)特的沙漠氣候。它的翅膀上隨機(jī)分布著親水性凸起，以及超疏水基底(如圖 1a 所示)。Stenocara 集水時(shí)，背部朝向風(fēng)向，濕空氣中的水蒸氣通過(guò)凝結(jié)作用，凝結(jié)于凸起部分，形成水滴，水滴逐漸增長(zhǎng)，達(dá)到臨界值后快速滑落至底部疏水凹槽，并沿著弓形后背滾落嘴中，如此往復(fù)凝水—生長(zhǎng)—滑落過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)空氣集水[6]。進(jìn)一步的模擬研究結(jié)果表明，相比于完全疏水或完全親水的光滑表面，在疏水基底上分布親水小突起的表面具有更好的集水效果：在完全疏水的表面上形成的水滴較小，容易被風(fēng)帶走或掉落;而在完全親水的表面上容易形成水膜，降低表面?zhèn)鳠嵝阅埽璧K后續(xù)水蒸氣的凝結(jié)，導(dǎo)致集水困難。受沙漠甲蟲(chóng)的啟發(fā)，Zhai 等[7]采用交替層狀組裝技術(shù)，以聚電解質(zhì)/納米粒子為原料，在超疏水基底表面構(gòu)建了親水點(diǎn)陣，仿制了圖案化表面，實(shí)現(xiàn)了空氣集水功能，復(fù)制了 Stenocara 的水收集表面，如圖 1b 和 c 所示。
Thickett 等[10-12]利用去濕方法構(gòu)建了具有類似結(jié)構(gòu)的多種圖案化聚合物薄膜，并對(duì)薄膜在空氣中收集水蒸氣的速率進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，相較于單純的親水或疏水表面，仿沙漠甲蟲(chóng)材料能夠提高水蒸氣在表面凝結(jié)成核的速率，有效提高集水效率，特別是在環(huán)境溫度與材料表面溫度差異較低的情況下。
除了構(gòu)建上述浸潤(rùn)性質(zhì)的二維圖案化表面，將三維結(jié)構(gòu)的制備與浸潤(rùn)性質(zhì)相結(jié)合，有望構(gòu)筑更接近沙漠甲蟲(chóng)背部結(jié)構(gòu)的人工材料，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)功能仿生。Ozden 等[8]改進(jìn)了碳納米管的生長(zhǎng)過(guò)程，構(gòu)建了頂部/底部具有不同浸潤(rùn)性的多種各向異性碳納米管陣列，并進(jìn)行了集水測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水分子與親水頂端接觸后，受范德華力、氫鍵結(jié)合力等共同作用被拉進(jìn)陣列內(nèi)部，擴(kuò)展到整個(gè)納米管，隨后水分子會(huì)吸取更多的水進(jìn)來(lái)(如圖 1d 所示)。特別值得注意的是，頂部親水、底部疏水的碳納米管森林能夠吸收高達(dá)自身重量 80% 的水分并保持完好，而且可以通過(guò)擠壓碳納米管把水?dāng)D出來(lái)，實(shí)現(xiàn)材料的重復(fù)使用。進(jìn)一步的測(cè)試結(jié)果表明，該陣列能夠大幅減緩所吸收水分的蒸發(fā)。
Gao 等[13]設(shè)計(jì)了含有不同比例的親水性黏膠纖維和疏水性聚丙烯纖維的織物，模擬沙漠甲蟲(chóng)背甲的親水/超疏水雜化表面。當(dāng)黏膠纖維和聚丙烯纖維的比例為 1∶1 時(shí)，織物具有最高的集水效率，高達(dá) 1 267.5 mg/(h·cm2 )。該方法采用簡(jiǎn)單的紡織設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)，有望實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
仿沙漠甲蟲(chóng)背甲材料不僅能夠從空氣中凝結(jié)水蒸氣[14-15]，也可以用于收集油水乳液中的水分。 Zeng 等[9]構(gòu)建了一種超疏水/超親油的不銹鋼絲網(wǎng)，上面分布有超親水的 SiO2 微球，當(dāng)油水乳液經(jīng)過(guò)該表面時(shí)，水滴被親水微球捕獲、富集，難以穿過(guò)下層疏水絲網(wǎng)，而其他油性液體則不受通過(guò)阻力限制，從而實(shí)現(xiàn)油水分離(如圖 1e 所示)。
2 仙人掌集水原理及仿生
仙人掌長(zhǎng)期生長(zhǎng)在干旱地帶，進(jìn)化而來(lái)的短刺狀葉片可以幫助它減少水分的蒸發(fā)和流失，它的尖刺和肉狀莖組成的獨(dú)特系統(tǒng)也能夠從空氣中收集霧氣或露水并加以利用。它所采用的集水方式和水分定向運(yùn)輸策略，有望為人工集水材料的設(shè)計(jì)提供思路。Ju 等[16]對(duì)一種常見(jiàn)的仙人掌品種——黃毛掌進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)它的表面整齊排列著眾多毛狀體和密集分布于毛狀體之上的尖刺簇。這些尖刺呈細(xì)長(zhǎng)圓錐體狀，根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)的不同依次分為三個(gè)部分：頂端長(zhǎng)有尖角和大量倒鉤、中段由頂至底分布著由窄變寬的溝槽、底部是由帶狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成的毛狀體，這種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致在尖刺表面存在著顯著的表面自由能梯度和拉普拉斯壓差梯度。當(dāng)仙人掌處于潮濕的空氣中，水蒸氣首先在尖刺的尖端凝結(jié)形成微水滴，隨后這些微水滴因表面自由能梯度和拉普拉斯壓差梯度逐漸匯集，單向擴(kuò)展、移動(dòng)，形成大體積水滴，并克服重力等的影響定向移動(dòng)至底部的毛狀體，被植物快速吸收，如圖 2 所示。
仙人掌這種凝結(jié)霧水并定向移動(dòng)的集水方式啟發(fā)了研究人員。他們利用程序化電化學(xué)腐蝕的方法，在圓錐狀銅絲表面實(shí)現(xiàn)了類似仙人掌尖刺的梯度浸潤(rùn)性[17]。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這種銅絲能夠?qū)崿F(xiàn)水蒸氣的凝結(jié)及定向輸運(yùn)。不僅如此，與單一浸潤(rùn)性的銅絲相比，具有梯度浸潤(rùn)性的銅絲表面，定向輸送水珠的動(dòng)力由單純的拉普拉斯壓差增加為拉普拉斯壓差和梯度化學(xué)能的合力，導(dǎo)致動(dòng)力更強(qiáng)、定向移動(dòng)速度更快，具體表現(xiàn)為相比于單純親水銅絲具有更快的集水速率，相比于單純疏水銅絲具有更快的輸送速率。
單根錐狀銅絲并不能滿足日常集水的實(shí)際需求，Xu 等[18]設(shè)計(jì)了一套基于該原理的集水器件，如圖 3a 所示。綜合考慮拉普拉斯壓差梯度、化學(xué)能梯度、重力等因素，考察了錐絲不同朝向角度對(duì)集水效率的影響，在特定條件下，該器件的集水效率可達(dá) 0.618 g/(h·cm2 )。Peng 等[19]則利用模板法制備了軟質(zhì)仿生圓錐陣列，并引入了磁性納米粒子，得到的陣列在外部磁場(chǎng)下產(chǎn)生相應(yīng)的擺動(dòng)，可以在水滴的移動(dòng)過(guò)程中為它提供額外的動(dòng)力。因此，在無(wú)風(fēng)條件下，相比于硬質(zhì)陣列，軟質(zhì)陣列具有更為顯著的集水效率。根據(jù)理論推算，以 1 m2 這種陣列作為霧水收集器，在 1.25 h 內(nèi)即可收集滿足一個(gè)成人一天的飲用水量。
類似的圓錐結(jié)構(gòu)不僅能夠進(jìn)行空氣集水[20-22]，還可以用于油水分離。Li 等[23]分別構(gòu)建了一系列光滑銅針和粗糙銅針，對(duì)水中小油滴在銅針表面的富集、定向運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了觀測(cè)。基于此項(xiàng)研究，他們將研究對(duì)象進(jìn)行放大，制備了不同表面粗糙程度、不同排列方式的聚二甲基硅氧烷圓錐陣列，這些陣列均可以在水相中實(shí)現(xiàn)對(duì)油滴的捕捉、富集以及定向輸運(yùn)，分離效率大于 90%，部分試樣的分離效率接近 99%，高效完成了油水分離過(guò)程，如圖 3b 所示。
3 蜘蛛絲集水原理及仿生
自然界中的生物不僅可以通過(guò)自身特殊的身體結(jié)構(gòu)獲得空氣取水的能力，有些生物甚至能夠制造用于收集霧水的“工具”，蜘蛛就是其中的代表之一，它們的工具是蜘蛛網(wǎng)。Zheng 等[24]利用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡對(duì)具篩器蜘蛛網(wǎng)進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)了水蒸氣在特定蜘蛛絲(捕獲絲)表面大量凝結(jié)、富集的過(guò)程：在由兩根纖維形成的“主干”上分布著許多由納米級(jí)纖維構(gòu)成的紡錘狀微小凸起，空氣中的水分由于過(guò)飽和作用，會(huì)無(wú)位置選擇性地在蜘蛛絲表面凝結(jié)形成小液滴，小液滴的數(shù)量及尺寸逐步增加;當(dāng)液滴尺寸達(dá)到一定程度后，發(fā)生定向移動(dòng)，逐漸匯集在蜘蛛絲的紡錘狀突起處形成大滴的露珠，在其他位置再次開(kāi)始小液滴的形成、定向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)。
進(jìn)一步的研究結(jié)果表明，捕獲絲由兩根主體纖維和大量的微纖構(gòu)成，其中絕大多數(shù)微纖無(wú)規(guī)糾纏，形成紡錘狀凸起;少量微纖沿主體纖維徑向平行分布，形成凸起間的節(jié)點(diǎn)。由于微纖的分布形態(tài)不同(凸起處無(wú)規(guī)，節(jié)點(diǎn)處平行)，因此在凸起和節(jié)點(diǎn)處捕獲絲的表面浸潤(rùn)性有一定的差異，凸起處更為親水，這就導(dǎo)致了沿蜘蛛絲徑向有一定的表面化學(xué)能梯度，如圖 4 所示。同時(shí)，由于形態(tài)的差異，在凸起處具有更大的曲率半徑，也造成了一定的拉普拉斯壓差梯度。上述兩種梯度均指向凸起位置，有利于液滴由節(jié)點(diǎn)處向凸起處定向移動(dòng)，形成匯集。
在研究捕獲絲集水功能的同時(shí)，Hou 等[25]利用浸漬的方法復(fù)刻了類似的結(jié)構(gòu)：將尼龍纖維浸入溶解有聚甲基丙烯酸甲酯的乙醇/N，N-二甲基甲酰胺預(yù)浸液中，取出纖維后，由于瑞利不穩(wěn)定性，溶液層在纖維表面發(fā)生收縮，形成沿軸向分布的液滴;待溶劑揮發(fā)后，聚甲基丙烯酸甲酯隨溶液液滴沉積，形成同樣沿纖維軸向分布的凸起，得到類似蜘蛛捕獲絲結(jié)構(gòu)的功能纖維。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將這種新型材料置于霧氣中，空氣中的水分能在材料表面凝結(jié)成水珠，發(fā)生定向移動(dòng)，加速水珠匯集，從而達(dá)到集水的功能。如果選用刺激響應(yīng)性材料作為預(yù)浸液的溶質(zhì)，得到的仿生纖維的水滴定向移動(dòng)特性也將具有一定的刺激響應(yīng)性。例如，以溫度敏感材料聚 N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAAM)作為溶質(zhì)得到的集水纖維，在環(huán)境溫度低于臨界溶解溫度時(shí)， PNIPAAM 表現(xiàn)為親水性，小液滴在凸起處受到的拉普拉斯壓差動(dòng)力和接觸角滯后動(dòng)力的方向相同，可更加快速地向凸起中心最高點(diǎn)處匯集;當(dāng)溫度高于臨界溶解溫度時(shí)，PNIPAAM 的親水性下降，表現(xiàn)為疏水性，此時(shí)小液滴在凸起處受到的拉普拉斯壓差動(dòng)力和接觸角滯后動(dòng)力的方向相反，定向移動(dòng)的方向發(fā)生變化，向遠(yuǎn)離凸起的纖維主軸方向移動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)速度大幅降低，最終在纖維主軸上形成大液滴。同理，如果在 PNIPAAM 中引入具有紫外光刺激響應(yīng)的偶氮苯基團(tuán)，分子的親疏水性質(zhì)在紫外光的影響下發(fā)生轉(zhuǎn)變，水滴的定向移動(dòng)行為可以在紫外光的刺激下發(fā)生類似的變化[26]。他們將浸漬方法推廣到不同的纖維基體材料和高分子溶液[27-30]，并加以改進(jìn)、升級(jí)，發(fā)展了多次浸漬法[29]和連續(xù)浸漬法[30]，提高了效率并獲得了類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。仿蜘蛛絲集水纖維的制備方法見(jiàn)圖 5 [25，30-32]。
靜電紡絲技術(shù)作為一種新型的纖維制造工藝，同樣能夠用于制造這種特殊結(jié)構(gòu)的纖維[31，33-34]。 Dong 等[31]提出了一種基于靜電紡絲的方法，制備了具有周期性紡錘節(jié)結(jié)構(gòu)的仿蜘蛛絲纖維。他們分別以聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯作為紡絲原液，利用靜電紡絲工藝，采用同軸雙噴頭體系，將紡絲原液通入噴頭，共同紡絲。通過(guò)分別調(diào)控兩組噴頭體系的噴絲速率、紡絲原液濃度等影響因素，得到類蜘蛛絲形態(tài)的周期性紡錘節(jié)纖維，這種纖維具有很好的集水效果。
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Kang 等[32]開(kāi)發(fā)了包含多進(jìn)樣通路、微流控芯片和數(shù)字控制器的微流體系統(tǒng)，模擬了蜘蛛紡絲的過(guò)程。通過(guò)獨(dú)立控制各個(gè)進(jìn)樣通路的進(jìn)樣種類、進(jìn)樣時(shí)間和進(jìn)樣數(shù)量等，能夠控制最終所得纖維的組成，進(jìn)而影響纖維的結(jié)構(gòu)，獲得仿蜘蛛絲纖維。 Tian 等[35]利用類似的方法，通過(guò)“氣 - 液微流控” 設(shè)備制備了帶有空腔紡錘結(jié)的仿蜘蛛絲纖維，降低了纖維的自重。采用這種纖維模擬真實(shí)蜘蛛網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，證實(shí)在霧氣流量為 0.408 mL/min 的條件下，纖維總長(zhǎng) 77 cm 的模擬蛛網(wǎng)可以在 2 min 收集 0.36 mL 水，等效為由 28.49 m 仿生纖維織成的面積為 0.079 m2 的蜘蛛網(wǎng)可以在 3 h 內(nèi)收集維持一人一天生命體征的 1 L 水分。該技術(shù)有望用于水蒸氣收集、組織工程、藥物運(yùn)輸?shù)萚36]。
仿生蜘蛛絲的快速集水性能得到了科學(xué)界的認(rèn)可，但如何快速低成本地工業(yè)化制備纖維是制約這類產(chǎn)品最終走向市場(chǎng)應(yīng)用的瓶頸。為了解決這一難題，中國(guó)石化北京化工研究院[37-38]提出了在聚乙烯醇傳統(tǒng)濕法紡絲過(guò)程中，引入特殊的微米級(jí)顆粒，在紡絲過(guò)程中原位獲得紡錘狀結(jié)構(gòu)的方法，并通過(guò)在顆粒中引入微孔結(jié)構(gòu)，降低了添加劑對(duì)纖維力學(xué)性能的影響，從而實(shí)現(xiàn)了仿生纖維的批量化生產(chǎn)。
4 其他生物集水及復(fù)合仿生器件
除了上述幾種典型動(dòng)植物外，其他一些生物也具有從空氣中收集水分的本領(lǐng)，例如生活在新西蘭的南光蟲(chóng) Arachnocampa luminosa，它的釣魚(yú)絲具有和蜘蛛捕獲絲相似的結(jié)構(gòu)[39]。火龍果葉片上的叢刺類似于錐刺結(jié)構(gòu)，能夠從快速流動(dòng)的霧氣中捕獲水分[40]。Nørgaard 等[41]發(fā)現(xiàn)納米布沙漠中的一種沙漠草 Stipagrostris sabulicola 同樣具有集水能力，而且與甲蟲(chóng) Onymacris unguicularis 相比，該植物的集水本領(lǐng)更強(qiáng)。Lee 等[42]以共混聚合物凝膠模擬黏質(zhì)物、超疏水銅網(wǎng)模擬角質(zhì)層，復(fù)刻了荷葉的莖干結(jié)構(gòu)，該三維系統(tǒng)在適宜的條件下，1 m2 每天能夠收集大約 50 L 水。
動(dòng)植物的集水本領(lǐng)各有所長(zhǎng)，科學(xué)家們集合各種特殊生物結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建了不同的取水系統(tǒng)，提高空氣取水的效率。 Park 等[43]結(jié)合沙漠甲蟲(chóng)背甲從空氣中快速凝水、仙人掌錐形結(jié)構(gòu)定向輸運(yùn)和豬籠草高潤(rùn)滑[44-45]這三種特性，構(gòu)建了“非對(duì)稱超潤(rùn)滑突起陣列”。他們觀察了不同形狀(包括圓凸形、矩形和平面等)點(diǎn)陣的凝水過(guò)程，證明圓凸形表面效果最佳;在此基礎(chǔ)上，在圓形凸起上加入類似仙人掌的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，定向輸送凝結(jié)的水滴，具體表現(xiàn)為當(dāng)微水滴生長(zhǎng)到一定程度時(shí)，這種特殊結(jié)構(gòu)引導(dǎo)微水滴向凸起底部移動(dòng)、逐步脫離，并在離去路徑上匯集增長(zhǎng)、加速脫落，從而加快重新集水過(guò)程的循環(huán)。他們還引入了前期開(kāi)發(fā)的仿豬籠草光滑涂層，降低移動(dòng)阻力，兼具自修復(fù)功能，得到結(jié)合三種生物優(yōu)點(diǎn)的仿生非對(duì)稱超潤(rùn)滑突起陣列表面(如圖 6a 所示)，可在更短時(shí)間內(nèi)收集和運(yùn)輸更多水量，工作效率比現(xiàn)有空氣集水材料高 6 倍。
Gurera 等[46]基于 3D 打印技術(shù)，提出了一種結(jié)合沙漠甲蟲(chóng)、沙漠草和仙人掌錐刺三種生物特點(diǎn)的集水網(wǎng)面設(shè)計(jì)(如圖 6b 所示)，有望推進(jìn)仿生集水設(shè)備走向市場(chǎng)應(yīng)用。Wang 等[47]集合水稻葉、仙人掌刺、豬籠草和蝴蝶翅膀的幾種特性，設(shè)計(jì)了一款集水風(fēng)車，能夠滿足在各種風(fēng)力條件下收集水蒸氣的需求。
5 結(jié)語(yǔ)
空氣中的水蒸氣資源豐富，如果能夠有效捕獲，將獲得可觀的淡水資源，有望緩解全球日益嚴(yán)峻的缺水問(wèn)題。雖然這部分資源總量巨大，但由于單位密度較小、已有集水技術(shù)并不完善，空氣取水的取水率不理想，開(kāi)發(fā)新型集水材料的需求日趨強(qiáng)烈。自然界中眾多生物的集水本領(lǐng)為人類開(kāi)發(fā)新材料提供了多重啟示：沙漠甲蟲(chóng)親 / 疏水圖案化的背甲能夠從潮濕空氣中快速凝結(jié)水蒸氣;仙人掌尖刺非對(duì)稱的錐形結(jié)構(gòu)和蜘蛛捕獲絲的紡錘狀結(jié)構(gòu)可以誘導(dǎo)水滴發(fā)生定向輸送，加快水滴增長(zhǎng)、加速水蒸氣重新凝結(jié)，提高凝水效率。當(dāng)前，研究人員復(fù)刻了多種特殊生物結(jié)構(gòu)或器件，雖然能夠達(dá)到收集水蒸氣的目的，但該類技術(shù)和材料仍處于初級(jí)發(fā)展及攻關(guān)階段，存在對(duì)環(huán)境要求較高、效率較低、規(guī)模化應(yīng)用難等問(wèn)題，導(dǎo)致整體推廣受限。未來(lái)，該領(lǐng)域的研究應(yīng)主要集中在以下幾點(diǎn)：1)探索自然界中更多的集水生物，拓展研究和模擬領(lǐng)域，指導(dǎo)、推進(jìn)仿生核心材料的開(kāi)發(fā);2)綜合不同仿生材料的優(yōu)勢(shì)，協(xié)同發(fā)展、構(gòu)建集成器件;3)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、降低生產(chǎn)成本，最終完成從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用。——論文作者：姜 超，韓 朋，戚桂村，高達(dá)利，張曉紅，喬金樑
參 考 文 獻(xiàn)
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