精(jing)密3D打(da)印構(gou)建(jian)仿(fang)生(sheng)麥芒(mang)分(fen)級系(xi)統用(yong)於高效霧水(shui)收(shou)集

霧水(shui)收(shou)集對(dui)解決水資源(yuan)短缺具(ju)有重(zhong)要的(de)意義，如何(he)提(ti)升(sheng)霧水(shui)收(shou)集效(xiao)率壹直(zhi)是(shi)研究熱(re)點(dian)。高效的(de)霧水(shui)收(shou)集需要同時滿(man)足(zu)高效捕捉和快(kuai)速(su)傳(chuan)輸兩個嚴苛的(de)條件(jian)。受大(da)自(zi)然(ran)啟(qi)發(fa)，制(zhi)備合適(shi)的(de)仿生(sheng)系(xi)統被(bei)認(ren)為(wei)是(shi)實現這兩個嚴苛條(tiao)件(jian)的(de)有效(xiao)方(fang)法(fa)。然(ran)而(er)，目(mu)前(qian)制(zhi)備的(de)仿生(sheng)系(xi)統結(jie)構單(dan)壹(yi)，精(jing)度(du)較(jiao)低，無(wu)法(fa)實現高效的(de)霧水(shui)收(shou)集。

近(jin)日，西(xi)南科(ke)技(ji)大(da)學(xue)李(li)國(guo)強(qiang)教授(shou)領導的(de)仿生(sheng)微納精密制(zhi)造(zao)團隊，受小(xiao)麥(mai)麥芒啟(qi)發(fa)，利用(yong)PμSL3D打(da)印技(ji)術(shu)（深(shen)圳(zhen)摩(mo)方(fang)材(cai)料科(ke)技(ji)有限公司，nanoArch® S130）構(gou)造(zao)了(le)仿(fang)生(sheng)麥芒(mang)分(fen)級系(xi)統，實(shi)現了(le)高(gao)效的(de)霧水(shui)收(shou)集。經(jing)過(guo)優(you)化(hua)設計的(de)仿生(sheng)麥芒(mang)霧水(shui)收(shou)集系(xi)統，表(biao)面分布有眾多微型(xing)刺狀(zhuang)取向收集(ji)器，擴大(da)了(le)收(shou)集的(de)有效(xiao)面積，增強(qiang)了(le)霧滴(di)捕(bu)捉效率(lv)，並突(tu)破(po)傳(chuan)統結(jie)構下(xia)滴狀(zhuang)傳(chuan)輸的(de)限制(zhi)，實現了(le)高(gao)速的(de)膜狀(zhuang)傳(chuan)輸，極大(da)地(di)提(ti)高(gao)傳(chuan)輸速度(du)和收(shou)集(ji)效(xiao)率(lv)。該系(xi)統的(de)水霧收(shou)集(ji)效率(lv)可(ke)達5.9g/cm2·h，有望(wang)應(ying)用(yong)於液滴傳(chuan)輸、藥(yao)物(wu)運(yun)輸、細(xi)胞牽(qian)引(yin)、海(hai)水淡(dan)化等科(ke)學(xue)技術(shu)領域。

圖1 自(zi)然(ran)麥(mai)芒結(jie)構特(te)征(zheng)、霧水(shui)收(shou)集過(guo)程及(ji)仿(fang)生(sheng)麥芒(mang)系(xi)統的(de)制(zhi)備過程(cheng)。a.小(xiao)麥(mai)麥芒捕(bu)捉潮濕空氣中的(de)小(xiao)水(shui)滴。b.麥芒(mang)逆(ni)重(zhong)力(li)超快(kuai)霧滴(di)輸運過(guo)程。c-e. 自(zi)然(ran)麥(mai)芒的(de)分級結(jie)構SEM表(biao)征(zheng)。f. PμSL 3D打(da)印系(xi)統制(zhi)備仿生(sheng)麥芒(mang)分(fen)級系(xi)統的(de)示意圖。

圖2 自(zi)然(ran)麥(mai)芒與(yu)仿(fang)生(sheng)麥芒(mang)的(de)結(jie)構特(te)征(zheng)及(ji)演變(bian)規律(lv)。a-c.自(zi)然(ran)麥(mai)芒表面(mian)微刺、凹(ao)槽(cao)的(de)結(jie)構特(te)征(zheng)統(tong)計曲(qu)線圖。d-e.5種(zhong)不(bu)同結(jie)構形(xing)式仿(fang)生(sheng)系(xi)統示(shi)意圖。f-g. 不(bu)同結(jie)構形(xing)式仿(fang)生(sheng)系(xi)統的(de)表征(zheng)。h.仿生(sheng)麥芒(mang)隨微刺數(shu)目(mu)增加的(de)結(jie)構演變(bian)示意圖。

要點：小(xiao)麥(mai)麥芒可(ke)從潮濕空氣中捕捉微小(xiao)霧滴(di)作為(wei)水(shui)分(fen)供(gong)給(gei)。這種(zhong)高(gao)效的(de)霧水(shui)收(shou)集能(neng)力(li)主(zhu)要是(shi)源(yuan)於表面的(de)錐形(xing)脊柱(zhu)、梯(ti)度凹(ao)槽、方(fang)向性刺集(ji)成(cheng)的(de)分級微納系(xi)統。通(tong)過對結(jie)構特(te)征(zheng)的(de)分析(xi)，借(jie)助PμSL打(da)印技(ji)術(shu)的(de)高精(jing)度性、自(zi)由(you)性對(dui)結(jie)構進行(xing)拆解、重(zhong)新(xin)整合，並根(gen)據(ju)結(jie)構的(de)演變(bian)過程優(you)化(hua)構建(jian)模(mo)型(xing)，編(bian)程(cheng)調(tiao)控制(zhi)備了(le)不(bu)同結(jie)構形(xing)式的(de)仿生(sheng)系(xi)統，包括(kuo)仿生(sheng)脊柱(zhu)系(xi)統（A-spine）、仿(fang)生(sheng)凹槽(cao)系(xi)統(A-grooves)、仿(fang)生(sheng)麥芒(mang)系(xi)統體(ti)系(xi)(A-awn-2、A-awn-3、A-awn-4）。

圖3 不(bu)同結(jie)構形(xing)式仿(fang)生(sheng)麥芒(mang)的(de)霧水(shui)收(shou)集過(guo)程。a-e. 仿生(sheng)脊柱(zhu)（Ⅰ）、仿(fang)生(sheng)凹槽(cao)（Ⅱ）、仿(fang)生(sheng)麥芒(mang)體(ti)系(xi)（Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）在水(shui)霧環境(jing)下(xia)逆(ni)重(zhong)力(li)的(de)霧滴(di)捕(bu)捉輸運過(guo)程。

圖4 仿生(sheng)麥芒(mang)的(de)水霧收(shou)集(ji)作用(yong)機(ji)理。a-c. 仿(fang)生(sheng)脊柱(zhu)（Ⅰ）、仿(fang)生(sheng)凹槽(cao)（Ⅱ）、仿(fang)生(sheng)麥芒(mang)體(ti)系(xi)（Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）逆(ni)重(zhong)力(li)下(xia)的(de)霧滴(di)運(yun)輸距離(li)、速度(du)、體(ti)積的(de)統計曲(qu)線圖。d-f. 仿生(sheng)脊柱(zhu)、仿(fang)生(sheng)凹槽(cao)、仿(fang)生(sheng)麥芒(mang)體(ti)系(xi)的(de)霧水(shui)收(shou)集機(ji)理分(fen)析(xi)。

要點：通(tong)過在水(shui)霧環境(jing)下(xia)觀察，在仿(fang)生(sheng)脊柱(zhu)與(yu)仿(fang)生(sheng)凹槽(cao)結(jie)構表(biao)面(mian)，霧滴(di)以(yi)大(da)液(ye)滴的(de)形(xing)式進行(xing)定(ding)向地(di)輸運——滴(di)狀傳(chuan)輸。但在(zai)仿生(sheng)麥芒(mang)系(xi)統體(ti)系(xi)表面(mian)，無(wu)明(ming)顯大(da)液(ye)滴出現，相反霧滴(di)是(shi)以(yi)壹層薄(bo)水(shui)膜進行(xing)定(ding)向輸運——膜(mo)狀傳(chuan)輸。液體(ti)傳(chuan)輸模(mo)式(shi)的(de)轉變(bian)主要是(shi)受表(biao)面微結(jie)構所(suo)影(ying)響(xiang)。脊柱與(yu)凹(ao)槽(cao)單(dan)級仿生(sheng)結(jie)構系(xi)統，難(nan)以(yi)實現對霧滴(di)快(kuai)速(su)高效(xiao)的(de)捕捉，無(wu)法(fa)在表(biao)面形(xing)成(cheng)連(lian)續(xu)穩定的(de)液體(ti)薄(bo)膜(mo)，所(suo)捕捉液滴(di)易(yi)受周圍(wei)液滴(di)的(de)吸(xi)引(yin)合(he)並成(cheng)大(da)液(ye)滴進行(xing)傳(chuan)輸。當其體積增大(da)到(dao)某數(shu)值時(shi)，結(jie)構所(suo)產生(sheng)的(de)拉布拉斯力(li)無(wu)法(fa)繼續(xu)驅動液(ye)滴(di)運動，最終釘(ding)紮在(zai)表面。而仿生(sheng)麥芒(mang)分(fen)級系(xi)統體(ti)系(xi)，由於表面附(fu)加了(le)眾多的(de)微型(xing)刺狀(zhuang)取向收集(ji)器，增強(qiang)了(le)霧滴(di)捕(bu)捉能力(li)，實(shi)現快(kuai)速(su)的(de)潤濕過程(cheng)，在(zai)表面形(xing)成(cheng)連(lian)續(xu)穩定的(de)液體(ti)薄(bo)膜(mo)。且與(yu)表(biao)面(mian)其他微滴合並(bing)凝(ning)結(jie)相比，微滴在水(shui)膜(mo)表(biao)面(mian)滑動的(de)所(suo)需時(shi)間更短，因此更傾(qing)向於沿(yan)水(shui)膜(mo)表(biao)面運動，使(shi)得傳(chuan)輸速度(du)和收(shou)集(ji)效(xiao)率(lv)得到(dao)顯著(zhu)的(de)提(ti)升(sheng)。實(shi)驗結(jie)果(guo)表明(ming)，膜(mo)狀(zhuang)傳(chuan)輸的(de)速度(du)要比滴狀(zhuang)傳(chuan)輸高40倍，可(ke)實(shi)現3.5 mm/s的(de)傳(chuan)輸速度(du)和 5.9 g /cm2·h的(de)收集(ji)效率。

該工(gong)作以(yi) “Programmable 3D printed wheatawn-like system for high-performance fogdropcollection” 為題發(fa)表在著(zhu)名(ming)期(qi)刊(kan)《Chemical Engineering Journal》上。該項(xiang)工(gong)作得到(dao)了(le)國(guo)家自(zi)然(ran)科(ke)學(xue)基(ji)金(jin)委(wei)、四川省科(ke)技(ji)廳等基(ji)金(jin)項(xiang)目(mu)的(de)支(zhi)持。