Recent Developments of Biomimetic Superwetting Materials for High Efficiency Water Collection

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210491

Chinese Journal of Applied Chemistry ›› 2022, Vol. 39 ›› Issue (1): 154-176.DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.210491

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Recent Developments of Biomimetic Superwetting Materials for High Efficiency Water Collection

ZHOU Hui¹^,²,GUO Zhi-Guang¹^,²()

^1.Ministry of Education Key Laboratory for the Green Preparation and Application of Functional Materials，Hubei University，Wuhan 430000，China
^2.State Key Laboratory of Solid Lubrication，Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

Received:2021-10-03 Accepted:2021-11-05 Published:2022-01-01 Online:2022-01-10
Contact: Zhi-Guang GUO
About author:zguo@hubu.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(51735013)

Abstract

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

CLC Number:

O647

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.

Figures/Tables 12

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］

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］

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

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］

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］

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］

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］

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］

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］

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］

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］

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

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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Recent Developments of Biomimetic Superwetting Materials for High Efficiency Water Collection

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