高效集水仿生超浸润材料的研究进展

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210491

摘要/Abstract

摘要：

有效地收集空气中的雾气是缓解缺水危机的一种方法。近年来，可雾水收集的仿生超浸润材料受到了广泛的关注。通过进一步研究雾水收集过程中的液滴动态运输行为，为设计并构筑多功能仿生超浸润材料提供指导。本综述详细地总结了自然界典型的雾水收集现象，并对液滴在不同润湿性材料表面的动态运输行为进行了分类。从单一仿生到多重仿生出发，系统介绍了近年来仿生超浸润材料在雾水收集应用中的研究进展及雾水收集效果。最后，针对可高效雾水收集的仿生超浸润材料的研究发展进行了展望。

关键词: 仿生, 超浸润, 液滴运输, 雾水收集

Abstract:

It is an important way to alleviate the crisis of water shortage via effective fog harvesting. In recent years， various biomimetic superwetting materials that can be used for water collection have received widespread attention. Moreover， it can provide guidance for the design and construction of multifunctional biomimetic superwetting materials by further studying the dynamic transportation behavior of droplets in the process of fog collection. In this article， the typical fog harvesting phenomena in nature are systematically summarized. Next， the dynamic transport behavior of droplets on the surface of different materials is further classified. Moreover， the research progress of biomimetic superwetting materials in the application of water collection has been fully discussed from different perspectives. Finally， the research and development of biomimetic superwetting materials that can be used for high-efficiency water collection are prospected.

Key words: Biomimetic, Superwetting, Droplet transportation, Fog harvesting

中图分类号:

O647

周慧, 郭志光. 高效集水仿生超浸润材料的研究进展[J]. 应用化学, 2022, 39(1): 154-176.

ZHOU Hui, GUO Zhi-Guang. Recent Developments of Biomimetic Superwetting Materials for High Efficiency Water Collection[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2022, 39(1): 154-176.

图/表 12

图1 （a）仙人掌光学图［21］；（b）单根仙人掌刺电镜图［21］；（c）仙人掌刺表面的雾水收集机制［21］；（d - f）纳米比亚沙漠甲虫及其鞘翅表面图［19］；（g）不同体积的甲虫图［35］

Fig.1 （a） Optical images of the cactus［21］；（b） SEM image of a single spine［21］；（c） Mechanism of the fog harvesting on a spine［21］；（d - f） Optical images of the desert beetle Stenocara sp［19］；（g） Four model beetles with different size［35］

图2 （a）干蜘蛛丝结构图［20］；（b）湿润后蛛丝结构图［20］；（c）Cotula fallax雾水收集图［44］；（d）Syntrichia caninervis光学图及其芒的电子显微镜图［45］

Fig.2 （a） Structure of dry silk of spider［20］；（b） Structure of wet-rebuilt spider silk［20］；（c） Water collected by Cotula fallax［44］；（d）Morphology of Syntrichia caninervis and the associated awns［45］

表1 自然界的雾水收集现象

Table 1 The water collection in nature

序号

No.

生物

Creature

结构特征

Structural feature

液滴运输原因

The reason of droplet transport

文献

Ref.

仙人掌

Cactus

锥状刺+毛状体

Spines and trichomes

粗糙度梯度+结构梯度Gradient of roughness and conical shape

沙漠甲虫

Desert beetle

亲水凸起+疏水四周

Hydrophilic bugle and hydrophobic surroundings

润湿性梯度

Gradient of wettability

蜘蛛丝

Spider silk

纺锤-链接结构（湿环境）

Periodic puffs and joints

结构梯度

Gradient of morphology

Cotula fallax叶

Cotula fallax leaf

3D层次结构：叶子+绒毛Three?dimensional hierarchical structures： leaf and fluff

多尺度梯度

Multiscale gradient

斗篷草

Lady's mantle

超疏水叶片+亲水中心区

Hydrophilic areas on superhydrophobic surfaces

润湿性梯度

Gradient of wettability

羽扇豆

Lupin

大戟

Euphorbia

图3 （a - c）Young式方程模型、Wenzel模型和Cassie模型；（d， e）液滴在水平表面及倾斜表面的运动趋势；（f）液滴在具有润湿梯度的表面上的运动趋势［59］；（g， h）不同润湿性锥形表面的液滴移动机理［60］；（i）液滴在具有粗糙度梯度的表面上的运动趋势［21］

Fig.3 （a - c） Young model， Wenzel model and Cassie model；（d， e） The movement trend of droplet on horizontal surface and inclined surface；（f） The movement trend of droplet on surface with wettability gradient［59］；（g， h） Mechanism of water drop motion on conical surface with different wettability［60］；（i） The movement trend of droplet on conical surface with roughness gradient［21］

图4 （a）粒子困在圆柱体周围［77］；（b）油弯月板引诱的液滴移动［78］；（c）苎麻叶图片［81］；（d）荷叶图片［83］；（e， f）液滴沿横截面方向渗透具有润湿性梯度的微柱膜［85］；（g）液滴在Janus膜上单向渗透的机理［86］

Fig.4 （a） Photos of particles trapped against the cylinders［77］；（b） Directionally pumping droplets by capillary force on slippery surface with oil meniscus［78］；（c） The photos of the ramee［81］；（d） The photos of lotus leaves［83］；（e， f） The droplet penetration through a microcylinder membrane with a wettability gradient［85］；（g） Mechanism of unidirectional water penetration on a Janus film ［86］

图5 （a）3D打印法制备仙人掌刺阵列［95］；（b， c）仿仙人掌集水装置的雾水收集过程［96］；（d）液滴在振动作用和拉普拉斯梯度下定向运输［97］

Fig.5 （a） Schematic diagram of 3D-printed cactus-mimetic spine arrays［95］；（b， c） The fog collection process of the cactus-inspired device［96］；（d） The directional water droplet transport under the cone utilizing vibration and the Laplace force gradient ［97］

图6 （a）材料表面的接触角及水下油接触角图［98］；（b）不同倾斜角度下的集水量［98］；（c）不同循环次数下的集水量［98］；（d， f）不同前驱物比例样品集水量［99］；（e）雾水收集过程［99］；（g）不同样品上水滴的自诱导去除机理示意图［103］

Fig.6 （a） The water contact angle and oil contact angle in water［98］；（b） The weight of water harvested at different inclined angles［98］；（c） The weight of water harvested under 30 cycles［98］；（d. f） Amount of water harvested by various superwetting sample surfaces［99］；（e） Optical photographs of the fog harvesting progress［99］；（g） Schematic illustration of the self-induced removal mechanism of water droplets on different samples［103］

图7 （a， b） 3D纤维网络的集水过程及机理［106］；（c， d）火龙果及仿火龙果的3D集水装置图［107］；（e， f）不同润湿性表面集水过程及集水量［108］

Fig.7 （a， b） Illustration of the water-collecting process and mechanism of bioinspired 3D network［106］；（c， d） Optical image of pitaya and the schematic diagram of the 3D fog collector［107］；（e， f） Images of the harvesting progress and the water weight of different samples［108］

图8 （a）具有周期粗糙度梯度的锥形铜线的集水过程［92］；（b）设计的集水装置图及集水效率［92］；（d， e）组合集水装置的雾水收集机理［113］

Fig.8 （a） Illustration of fog collection on an artificial periodic roughness-gradient conical copper wire［92］；（b） Estimation of water collection rates by water collector［92］；（d， e） The mechanism of fog collection by water collector［113］

图9 （a） Janus铜网示意图［114］；（b） Janus铜网雾水收集过程［114］；（c） 3D集水装置［114］；（d） 2D和3D集水装置集水量［114］；（e－g）不同表面雾水收集过程图及不同表面、不同条件下的集水量［116］

Fig.9 （a） A sketch of the alternating nanoscale （hydrophilic-hydrophobic）/hydrophilic Janus cooperative copper mesh［114］；（b） Unidirectional water transport and fog collection on Janus copper mesh［114］；（c） A sketch of 3D fog collector［114］；（d） The amount of water harvested by 2D flat-like fog harvesting （curve A） and by JM-style fog harvesting （curve B）［114］；（e－g） The fog harvesting procedure and the amount of collected water of different samples［116］

图10 （a）具有中空凸起阵列的多生物仿生滑移表面示意图［117］；（b， c）雾水收集中，收集的水量及其总量占比［117］；（d - f）多生物特征集水材料设计［118］

Fig.10 （a） Schemes of the multi-bioinspired slippery surfaces with hollow bump arrays［117］；（b， c） The amount of collected water and the proportion of water collected relative to the water sprayed on the surface during the water collection cycle［117］；（d - f） Design of water collector inspired by multiple creatures［118］

表2 雾水收集材料研究进展

Table 2 The research progress of materials for water collection

序号 No.	生物仿生 Biomimetic	制备方法 Preparation	集水材料 Fog collector	雾流速 Flow speed/（cm·s^-1）	雾流量 Flow rate	温度 Temperature/℃	湿度 Humidity/%	集水量 Water collection rate	文献 Ref.
1	仙人掌 Cactus	3D打印法 3D printing	疏水微锥 Hydrophobic multibranched spines	100	-	室温 Room temperature	95	2 mg/（min·mm³）	95
2	仙人掌 Cactus	磁性粒子辅助成型法 Magnetic particle?assisted molding method	疏水微锥阵列 +亲水棉花基底 Hydrophobic conical arrays with the hydrophilic cotton matrix	45~50	-	23	-	3 mL/10 min	96
3	甲壳虫 Desert beetle	水热法+浸涂法+后修饰法 Hydrothermal， dip?coating and post?modification method	亲/疏水性相间不锈钢网 Hydrophilic/hydrophobic hybrid stainless?steel mesh	50	0.07 g/s	-	-	977 mg/（h·cm²）	98
4	甲壳虫 Desert beetle	喷涂法+后修饰法 Spraying method and post?modification	亲/疏水性相间不锈钢网 Hydrophilic/hydrophobic hybrid stainless?steel mesh	50	0.07 g/s	25	85~90	1 707.25 mg/（h·cm²）	99
5	甲壳虫 Desert beetle	层层自组装沉积法 LBL self?assembly deposition method	亲/疏水性相间铜网 Hydrophilic/hydrophobic hybrid copper mesh	50	0.07 g/s	22	90	571 mg/（h·cm²）	103
6	蜘蛛丝 Spider silk	微流控法 Microfluidic method	人造蜘蛛网 Artificial spider silk web	-	100 g/（s·m²）	25 $±$ 2	-	600 g/h	104
7	蜘蛛丝 Spider silk	水热法 Hydrothermal method	亲水性3D纤维网 Hydrophilic 3D fiber web	75	-	0	-	36.07 g/h	106
8	火龙果叶片Plant Pitaya	化学刻蚀+后修饰法 Chemical etching and post?modification	3D集水组合 3D water collector	60	0.037 g/s	24 $±$ 2	-	8.64 g/30 min	107
9	猪笼草 Nepenthes	水热法+光催化反应 Hydrothermal and photocatalysis reaction	疏水滑移表面 Hydrophobic slippery surface	50	0.07 g/s	18	90	~1.126 g/30 min	108
10	猪笼草 Nepenthes	喷涂法 Spraying method	疏水滑移表面 Hydrophobic slippery surface	40~50	0.07 g/s	18±2	85	~460.5 mg/（h·cm²）	109
11	甲壳虫+Janus 浸润性 Desert beetle and Janus wettability	液相修饰法 Liquidus modification	亲水/疏水性相间+Janus浸润性铜网（Hydrophilic?hydrophobic）/hydrophilic Janus cooperative copper mesh	50	0.07 g/s	18	90	2.2 g/（h·cm²）	114
12	甲壳虫+Janus浸润性 Desert beetle and Janus wettability	水热法+光催化法 Hydrothermal and photocatalysis reaction	亲水/疏水性相间+Janus浸润性泡沫铜（Hydrophilic?hydrophobic）/hydrophilic Janus cooperative copper foam	25	~0.056 g/s	25	70	2.39 g/h	115
13	仙人掌+甲壳虫+猪笼草 Cactus， desert beetle and Nepentes	化学刻蚀+电沉积法 Chemical etching and electrochemical?deposition	亲水/疏水性相间锥形铜针+亲水滑移表面 Conical copper needles with gradient wettability and hydrophilic slippery surface	25	~0.056 g/s	15	70	8.83 g/h	59

表2 雾水收集材料研究进展

Table 2 The research progress of materials for water collection

序号 No.	生物仿生 Biomimetic	制备方法 Preparation	集水材料 Fog collector	雾流速 Flow speed/（cm·s^-1）	雾流量 Flow rate	温度 Temperature/℃	湿度 Humidity/%	集水量 Water collection rate	文献 Ref.
1	仙人掌 Cactus	3D打印法 3D printing	疏水微锥 Hydrophobic multibranched spines	100	-	室温 Room temperature	95	2 mg/（min·mm³）	95
2	仙人掌 Cactus	磁性粒子辅助成型法 Magnetic particle?assisted molding method	疏水微锥阵列 +亲水棉花基底 Hydrophobic conical arrays with the hydrophilic cotton matrix	45~50	-	23	-	3 mL/10 min	96
3	甲壳虫 Desert beetle	水热法+浸涂法+后修饰法 Hydrothermal， dip?coating and post?modification method	亲/疏水性相间不锈钢网 Hydrophilic/hydrophobic hybrid stainless?steel mesh	50	0.07 g/s	-	-	977 mg/（h·cm²）	98
4	甲壳虫 Desert beetle	喷涂法+后修饰法 Spraying method and post?modification	亲/疏水性相间不锈钢网 Hydrophilic/hydrophobic hybrid stainless?steel mesh	50	0.07 g/s	25	85~90	1 707.25 mg/（h·cm²）	99
5	甲壳虫 Desert beetle	层层自组装沉积法 LBL self?assembly deposition method	亲/疏水性相间铜网 Hydrophilic/hydrophobic hybrid copper mesh	50	0.07 g/s	22	90	571 mg/（h·cm²）	103
6	蜘蛛丝 Spider silk	微流控法 Microfluidic method	人造蜘蛛网 Artificial spider silk web	-	100 g/（s·m²）	25 $±$ 2	-	600 g/h	104
7	蜘蛛丝 Spider silk	水热法 Hydrothermal method	亲水性3D纤维网 Hydrophilic 3D fiber web	75	-	0	-	36.07 g/h	106
8	火龙果叶片Plant Pitaya	化学刻蚀+后修饰法 Chemical etching and post?modification	3D集水组合 3D water collector	60	0.037 g/s	24 $±$ 2	-	8.64 g/30 min	107
9	猪笼草 Nepenthes	水热法+光催化反应 Hydrothermal and photocatalysis reaction	疏水滑移表面 Hydrophobic slippery surface	50	0.07 g/s	18	90	~1.126 g/30 min	108
10	猪笼草 Nepenthes	喷涂法 Spraying method	疏水滑移表面 Hydrophobic slippery surface	40~50	0.07 g/s	18±2	85	~460.5 mg/（h·cm²）	109
11	甲壳虫+Janus 浸润性 Desert beetle and Janus wettability	液相修饰法 Liquidus modification	亲水/疏水性相间+Janus浸润性铜网（Hydrophilic?hydrophobic）/hydrophilic Janus cooperative copper mesh	50	0.07 g/s	18	90	2.2 g/（h·cm²）	114
12	甲壳虫+Janus浸润性 Desert beetle and Janus wettability	水热法+光催化法 Hydrothermal and photocatalysis reaction	亲水/疏水性相间+Janus浸润性泡沫铜（Hydrophilic?hydrophobic）/hydrophilic Janus cooperative copper foam	25	~0.056 g/s	25	70	2.39 g/h	115
13	仙人掌+甲壳虫+猪笼草 Cactus， desert beetle and Nepentes	化学刻蚀+电沉积法 Chemical etching and electrochemical?deposition	亲水/疏水性相间锥形铜针+亲水滑移表面 Conical copper needles with gradient wettability and hydrophilic slippery surface	25	~0.056 g/s	15	70	8.83 g/h	59

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