周威，陳立，杜京城，譚陸西，董立春，周才龍

（重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，化工過程強(qiáng)化與反應(yīng)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶400044）

引 言

水雖是自然環(huán)境中最豐富的資源，但海水約占地球總水量的96.54%，能供人類飲用的淡水不到0.36%[1?2]。海水淡化和廢水處理技術(shù)被認(rèn)為是目前緩解淡水危機(jī)最有效的途徑，但技術(shù)適用性、操作復(fù)雜性和成本效益等因素阻礙了這些成熟技術(shù)的應(yīng)用和推廣[3?4]。自然界中的動(dòng)植物經(jīng)過億萬年的進(jìn)化和自然選擇，其結(jié)構(gòu)和功能已經(jīng)達(dá)到近乎完美的程度。例如，荷葉及一些昆蟲翅膀表面由于具有特殊的微觀結(jié)構(gòu)促使固?液界面形成氣膜，從而實(shí)現(xiàn)水滴不能浸潤(rùn)的超疏水自清潔性[5?6]。基于此，大量的仿生疏水界面材料已應(yīng)用于自清潔、油水分離等領(lǐng)域[7?8]。仿生學(xué)的設(shè)計(jì)思想不僅開啟了上述領(lǐng)域的大門，同時(shí)也為解決淡水稀缺問題打開了另一扇窗。霧是懸浮在空氣中的微米級(jí)水滴，被視為在沙漠、海岸和山脈等干旱地區(qū)獲取淡水的潛在資源[9?10]。為了有效地從霧氣中獲取水，大自然中一些動(dòng)植物的特殊結(jié)構(gòu)為人類制造出先進(jìn)的霧水收集材料提供了廣泛的靈感來源。例如，納米布沙漠甲蟲的特殊潤(rùn)濕性背部圖案使其能夠在親水凸起區(qū)域捕獲并聚結(jié)霧氣中的小水滴，然后輸送到疏水的光滑區(qū)，結(jié)合這一特征，仿生甲蟲的復(fù)合型潤(rùn)濕性圖案材料已被應(yīng)用于霧水的收集[11]；蜘蛛利用其絲上的潤(rùn)濕性差異和周期性紡錘結(jié)構(gòu)構(gòu)建的形狀梯度操縱水滴定向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)霧滴的捕獲，而類蜘蛛絲的人造纖維也同樣具有液滴定向運(yùn)輸和霧水收集能力[12]。此外，沙漠中的仙人掌[13]以及沼澤濕地中的水罐植物[14]等都具有類似的霧水收集和促進(jìn)液滴定向移動(dòng)的特點(diǎn)。事實(shí)上，在ISI Web of Science上以主題為“bio?inspired*AND water collection”檢索到的文獻(xiàn)數(shù)量近年來呈逐漸上升趨勢(shì)(圖1,截止到2020年6月20日)。最近，已有文獻(xiàn)綜述了上述三種動(dòng)植物的集水機(jī)理以及對(duì)應(yīng)集水材料的制備方法[15]，但并未總結(jié)出提升霧水收集效率的策略。僅單一地模仿這些動(dòng)植物的結(jié)構(gòu)特征，所研制出的人工微納米材料的集水效率并不理想[16]。在此，簡(jiǎn)要總結(jié)出構(gòu)建高效霧水收集表面的關(guān)鍵要素：相對(duì)疏水且光滑的集水表面有利于微型液滴的脫落，存在分級(jí)的微納米級(jí)通道或者錐形結(jié)構(gòu)的疏水表面能促進(jìn)液滴運(yùn)輸，降低表面水分的再蒸發(fā)速率有利于提高捕集量。本文首先從界面潤(rùn)濕理論和液滴運(yùn)輸理論入手分別介紹了四種生物的集水機(jī)制，然后系統(tǒng)地介紹了仿生材料的制造方法和現(xiàn)狀，并進(jìn)一步評(píng)述了提升霧水收集效率的設(shè)計(jì)方案，最后指出了霧水收集材料存在的問題以及未來的發(fā)展方向。

圖1 在ISI Web of Science上檢索的關(guān)于主題為“仿生集水”的文章數(shù)量Fig.1 Number of articles on the topic“bio?inspired *AND water collection”retrieved from ISI Web of Science

1 基本潤(rùn)濕理論與集水機(jī)制

1.1 潤(rùn)濕性模型

潤(rùn)濕性是指固體表面被液體潤(rùn)濕的能力或程度，當(dāng)液滴與固體表面接觸時(shí)，它們傾向于以相對(duì)較低的能量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。通常采用接觸角(contact angle,CA)來表征液滴在固體表面的潤(rùn)濕程度。如果將液體放置在光滑的固體表面上，表面的潤(rùn)濕性可以用Young方程[17]來描述[圖2(a)]：

式中，γSV、γSL和γLV分別表示固體/氣體、固體/液體以及液體/氣體之間的表面張力；θ 是液滴在光滑固體表面上的本征接觸角。由Young 方程推導(dǎo)出的親水和疏水之間的CA 邊界是90°，而最近一些研究認(rèn)為65°是親疏界面的更合理界限[18?19]，造成這種差異的主要原因是Young 方程假設(shè)液體表面的水分子與固體相中的水分子是相同的[20]。但Young 方程僅適用于完全光滑的固體表面，考慮到粗糙度、非均勻性等因素對(duì)界面的影響，Wenzel[21]提出了粗糙表面的新模型[圖2(b)]，指出粗糙材料比光滑材料具有更大的表面積，并對(duì)接觸角表達(dá)式進(jìn)行如下修正：

圖2 不同固體表面潤(rùn)濕性模型Fig.2 Different wetting behaviors of solid surface

式中，r 為粗糙因子，定義為實(shí)際表面積與投影面積之比，因此r ≥1，Wenzel 方程表明，增加表面粗糙度使親液表面更親液而使疏液表面更疏液。Wenzel 模型雖然說明了表觀接觸角是由表面微觀形貌和表面化學(xué)組成共同決定但當(dāng)表面呈現(xiàn)出較好的疏液態(tài)時(shí)，液體并不能完全浸潤(rùn)到粗糙表面內(nèi)部，這時(shí)就出現(xiàn)了固?液?氣三相共存的潤(rùn)濕狀態(tài)?；诖?，Cassie等[22]提出了另外一種模型[圖2(c)]：

式中，fSL、fLV分別為液滴與固體接觸和與空氣接觸的面積百分?jǐn)?shù)(fSL+fLV=1)；θ*、θ'分別為液滴在粗糙表面的表觀接觸角和液體在理想空氣表面的接觸角(θ'=180°)。此外，對(duì)于液體排斥表面[圖2(d)]的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕性評(píng)價(jià)，F(xiàn)urmidge[23]提出了式(4)以概述動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕性：

式中，m 是液滴的質(zhì)量；σ 是液滴的表面張力；w是液滴的接觸范圍寬度；g 是重力加速度；α 是滑動(dòng)角；θa、θr分別是前進(jìn)接觸角和后退接觸角。在Furmidge方程中最重要的兩個(gè)參數(shù)是接觸角和滑動(dòng)角(前進(jìn)接觸角與后退接觸角之差用SA表示)，CA表示液體在固體表面的排斥程度，而SA則表明液滴在固體表面的附著力程度。上述四個(gè)方程從本質(zhì)上解釋了液滴在表面的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)接觸情況，為進(jìn)一步分析液滴在材料表面的聚結(jié)、移動(dòng)等行為以及霧水收集過程提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

1.2 自然生物的集水機(jī)理

自然生物體表面不僅表現(xiàn)出特殊的潤(rùn)濕性[24?26]，還具備使微型水滴聚結(jié)和定向移動(dòng)的特征。2001 年，Parker 等[27]觀察到納米布沙漠甲蟲[圖3(a)]的背部凹凸表面包含著交替的蠟質(zhì)疏水凹陷區(qū)域和非蠟質(zhì)親水凸起區(qū)域[圖3(b)]。其中，親水區(qū)域用來凝結(jié)空氣中的霧水，當(dāng)霧水達(dá)到一定體積時(shí)，甲蟲依靠背部的疏水區(qū)運(yùn)輸水滴，最后輸送到嘴里[圖3(c)]。在沙漠中還生長(zhǎng)著另一種具有優(yōu)良集水能力的植物即仙人掌，Ju等[28]指出，仙人掌之所以能夠抗旱，與它特殊的微觀結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。仙人掌表面覆蓋著均勻的錐形刺[圖3(d)]，其中，一根錐形刺的脊柱包含倒鉤、漸變槽和底部的毛狀體結(jié)構(gòu)[圖3(e)]，在霧水收集過程中，這三部分的協(xié)同作用可使水滴從尖的一端自發(fā)地滑動(dòng)到仙人掌的根部[圖3(f)]。另外，夏天清晨很容易觀察到蜘蛛網(wǎng)上掛有露水[圖3(g)]，這表明蜘蛛網(wǎng)能夠有效地收集空氣中的水分。2010 年，Zheng 等[29]對(duì)蜘蛛絲的定向集水現(xiàn)象進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境濕度的增加，蜘蛛絲上原本蓬松的結(jié)點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)變成為周期性的紡錘體結(jié)構(gòu)[圖3(h)]，在紡錘體和鏈接結(jié)構(gòu)的作用下，蜘蛛絲結(jié)點(diǎn)處的霧水出現(xiàn)了定向移動(dòng)的現(xiàn)象[圖3(i)]。豬籠草極為濕潤(rùn)光滑的口緣區(qū)[圖3(j)]也能實(shí)現(xiàn)液滴的無損運(yùn)輸，2016 年，Chen 等[30]通過解析豬籠草“嘴唇”(口緣區(qū))的微觀結(jié)構(gòu)，揭示了豬籠草的口緣區(qū)能定向連續(xù)搬運(yùn)液體的原因在于其多尺度的楔形盲孔組成了不對(duì)稱溝槽[圖3(k)]，該結(jié)構(gòu)能在運(yùn)輸方向上優(yōu)化并加強(qiáng)毛細(xì)上升，阻止反方向的回流，從而完成單方向的液滴搬運(yùn)[圖3(l)]。

上述這些生物之所以能夠從霧中收集水分，其根本原因在于它們的特殊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了表面能梯度和Laplace力梯度。圖3(i)顯示了表面粗糙度差異產(chǎn)生的表面能梯度力，與紡錘體結(jié)構(gòu)相比，鏈接結(jié)構(gòu)平行軸向粗糙度更小，即紡錘節(jié)的結(jié)構(gòu)更親水，表面能更高，所以液滴就會(huì)自發(fā)地從鏈接一側(cè)運(yùn)動(dòng)到紡錘節(jié)一側(cè)。由表面粗糙度差異產(chǎn)生的表面能梯度可描述見式(5)[31?32]：

圖3 納米布沙漠甲蟲實(shí)物圖(a)，甲蟲背部的凹陷紋理表面的掃描電鏡圖(b)，水滴在甲蟲背部運(yùn)輸?shù)臋C(jī)制模型(c)[27]；仙人掌實(shí)物圖(d)，仙人掌刺表面的掃描電鏡圖(e)，水滴在錐形結(jié)構(gòu)上移動(dòng)的機(jī)制模型(f)[28]；蜘蛛絲實(shí)物圖(g)，紡錘節(jié)和鏈接結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖(h)，水滴在紡錘節(jié)上移動(dòng)的機(jī)制模型(i)[29]；豬籠草口緣區(qū)結(jié)構(gòu)實(shí)物圖(j)，豬籠草不對(duì)稱溝槽結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖(k)，水滴在不對(duì)稱溝槽表面運(yùn)輸?shù)臋C(jī)制模型(l)[30]Fig.3 The image of the Namib desert beetle(a).SEM image of the hollow textured surface on the beetle's back(b).The model of the droplet motion mechanism on the beetle's back(c)[27].The picture of cactus(d).SEM image of cactus spiny surface(e).The mechanism model of water droplet movement on conical structure(f)[28].The image of spider silk(g).SEM image of spindles and link structures(h).The model of the mechanism by which water droplets move on spindles(i)[29].Optical images of the organ structure at the mouth margin of a pitcher plant(j).SEM image of asymmetrical grooves structure composed by wedge?shaped blind holes (k).The model of water droplet transport on asymmetric groove surface(l)[30]

式中，L 表示從疏水區(qū)到親水區(qū)長(zhǎng)度的積分變量；L1是指疏水區(qū)的長(zhǎng)度；L2是指親水區(qū)長(zhǎng)度；γ是指水的表面張力。第二種驅(qū)動(dòng)水滴定向移動(dòng)的力來自于幾何形狀產(chǎn)生的Laplace力[圖3(f)],仙人掌的錐形刺狀結(jié)構(gòu)的頂端半徑要明顯小于底端，因此頂端產(chǎn)生的Laplace壓力要大于底端，從而水滴在壓力差的作用下實(shí)現(xiàn)了定向移動(dòng)。由幾何外形產(chǎn)生的Laplace力梯度可描述見式(6)[33]：

式中，r是局部半徑(r1和r2是兩個(gè)相對(duì)側(cè)的脊柱局部半徑)；R 表示液滴半徑；β 表示紡錘節(jié)或錐形脊柱疏水區(qū)域的半頂角；Z 是疏水區(qū)域直徑的積分變量?？傊?，在一個(gè)相對(duì)干燥的環(huán)境中，大自然會(huì)迫使生活在那里的動(dòng)植物進(jìn)化出更為復(fù)雜的器官或結(jié)構(gòu)來適應(yīng)惡劣的環(huán)境。與僅調(diào)整潤(rùn)濕行為的荷葉或玫瑰相比，蜘蛛絲、甲蟲背殼等能夠進(jìn)行定向霧水凝結(jié)和運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)似乎更加先進(jìn)，因?yàn)樗鼈冃枰鄻踊虍愘|(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以形成混合潤(rùn)濕性或特殊的幾何形狀。

2 仿生集水材料的制備技術(shù)

受自然界中這些集水生物的啟發(fā)，研究人員紛紛構(gòu)建出一維或二維的仿生集水材料，如類蜘蛛絲纖維、仙人掌刺狀椎體以及納米布沙漠甲蟲般的表面等。圖4列出了一些現(xiàn)有的集水結(jié)構(gòu)和相應(yīng)材料的制作技術(shù)。

圖4 仿生集水材料的制備方法一覽圖Fig.4 Outline of the fabrication strategy of bio?inspired artificial materials with water?harvesting ability

2.1 仿納米布甲蟲背部圖案表面

2.1.1 物理或化學(xué)混合法 混合法構(gòu)建仿生特殊潤(rùn)濕性界面材料是將(超)親水和(超)疏水材料直接混合在同一表面[34?35]。Wang 等[36]采用物理混合法將親水的聚苯乙烯(PS)通過熱壓工藝負(fù)載于經(jīng)過1H,2H,2H?全氟癸烷醇(PEDT)改性的銅網(wǎng)上[圖5(a)][36]，結(jié)果表明，當(dāng)加熱溫度為130℃，銅網(wǎng)50 目(300 μm)時(shí)，樣品的集水效果最佳，效率為159 mg·cm?2·h?1[圖5(b)]。類似地，Cao 等[37]將疏水銅網(wǎng)與親水棉吸附劑結(jié)合成Janus 體系，通過進(jìn)一步改進(jìn)，將二維的親疏水復(fù)合體系轉(zhuǎn)變?yōu)槿S的協(xié)同體系實(shí)現(xiàn)了自發(fā)、定向、連續(xù)的集水過程。此外，混合法也可以是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)混合[38]。Xu等[39]利用正十八烷基硫醇溶液對(duì)納米Ag 顆粒和納米TiO2顆粒的選擇性修飾作用制備出超親水/超疏水混合的CTA 膜[圖5(c)]，在混合的膜表面上，含有TiO2的超親水區(qū)域用來捕獲霧水，而具有Ag的超疏水區(qū)域引起微小水滴的滾動(dòng)，該膜的集水效率高達(dá)1043 mg·cm?2·h?1，此外由于納米銀的存在，膜表面還表現(xiàn)出良好的抗菌性能。

2.1.2 智能響應(yīng)法 眾所周知，在光、溶劑、pH、溫度等外部條件發(fā)生改變時(shí)，智能響應(yīng)材料會(huì)表現(xiàn)出一定的潤(rùn)濕性轉(zhuǎn)換[40?41]。例如，二氧化鈦在紫外線照射下能夠變得更為親水。Bai 等[42]將二氧化鈦漿料通過旋涂法沉積在玻璃基板上，并使用十七氟癸基三甲氧基硅烷(FAS)進(jìn)行表面改性，使其獲得超疏水性[圖6(a)]。隨后在紫外線的照射下，利用不同形狀的擋板制備了各種超親水圖案[圖6(b)]。相比其他圖案而言，五角星形圖案具有最佳的Laplace壓力和表面能梯度組合，使有五角星形圖案的表面表現(xiàn)出最佳的霧水收集效率[圖6(c)]。類似地，Zahner等[43]利用紫外線引發(fā)的表面接枝技術(shù)，通過表面進(jìn)行圖案化改性，以形成具有規(guī)定幾何形狀的超親水微圖案。然而，光敏性材料在停止光照后會(huì)發(fā)生可逆的變化，即親水的區(qū)域會(huì)逐漸恢復(fù)到疏水的性質(zhì)，如何避免或降低光敏材料可逆性的研究應(yīng)引起關(guān)注。

2.1.3 噴墨打印法 采用噴墨打印的直接圖案化法和基于掩模的光刻法有望實(shí)現(xiàn)雙重潤(rùn)濕性圖案材料的大規(guī)模生產(chǎn)[44?45]。Zhang等[45]采用噴墨打印技術(shù)首次在超疏水表面制備出超親水的微圖案，他們將優(yōu)化后的多巴胺溶液利用噴墨打印技術(shù)直接涂覆在超疏水表面上，隨著多巴胺在空氣中原位聚合反應(yīng)的發(fā)生，疏水表面會(huì)形成超親水的微圖案。隨后，Nishimoto等[46]也通過噴墨打印技術(shù)，在超親水襯底上構(gòu)建了超疏水圖案。

2.1.4 光刻法 基于掩模的光刻技術(shù)也可以構(gòu)造出預(yù)先設(shè)計(jì)好的圖案，如Yu 等[47]用不同規(guī)格的不銹鋼網(wǎng)作為掩模，利用脈沖激光沉積技術(shù)(PLD)在二氧化硅?聚二甲基硅氧烷(silica PDMS)修飾的超疏水表面上制備出超親水/超疏水圖案化表面。結(jié)果表明，超親水區(qū)域的大小和比例均影響著霧水收集效率，最優(yōu)樣品的集水效率高達(dá)5300 mg·cm?2·h?1。類似地，Moazzam 等[48]通過微加工技術(shù)制作出含有圓形陣列的平板，然后將平板放置在經(jīng)過聚丙烯修飾過的疏水膜和經(jīng)過聚多巴胺修飾過的親水膜之間，利用負(fù)光刻技術(shù)使多巴胺沉積在疏水表面形成親水凸起。

2.2 仿蜘蛛絲的纖維結(jié)構(gòu)

2.2.1 浸涂法 根據(jù)Plateau?Rayleigh 不穩(wěn)定性原理，高曲率纖維表面的液膜無法穩(wěn)定存在，會(huì)自發(fā)地破裂成沿著纖維長(zhǎng)軸方向規(guī)則分布的一系列液滴[49?50]。基于此，Bai 等[51]選用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚醋酸乙烯酯(PVAC)、聚苯乙烯(PS)和聚偏氟乙烯(PVDF)作為原料，通過浸涂法首次合成了類似蜘蛛絲的紡錘節(jié)[圖7(a)]，與其他三組表面相比，微型水珠能夠在粗糙的PMMA 結(jié)上獲得較快的移動(dòng)速度[圖7(b)]。此外，Bai 等[52]通過調(diào)節(jié)溶液的黏度、表面張力和提拉速度，研制出具有不同形狀尺寸的周期性PMMA 紡錘節(jié)，通過霧水收集實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)較大的紡錘形結(jié)的集水能力要比較小的紡錘節(jié)強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上，Chen 等[53]進(jìn)一步證明，多級(jí)紡錘節(jié)可以造成連續(xù)的表面能和Laplace力梯度，并且紡錘節(jié)的尺寸大小與懸掛液滴的毛細(xì)黏附強(qiáng)弱有關(guān)。

圖5 親疏水復(fù)合表面制備過程示意圖(a)，霧水收集裝置示意圖以及不同樣品的霧水收集效率對(duì)比(b)[36]；超親水/超疏水圖案CTA膜的制備原理(c)[39]Fig.5 Preparation procedure of the hydrophilic?superhydrophobic patterned composite surface (a).Schematic illustration of the fog?harvesting system,water collection rates of the different samples(b)[36].Schematic illustration of fabricating superhydrophilic/superhydrophobic patterned CTA film(c)[39]

2.2.2 液膜涂覆法 鑒于浸涂法存在難以制備出連續(xù)紡錘節(jié)纖維的缺點(diǎn)，Bai等[54]開發(fā)出一種簡(jiǎn)單又實(shí)用的方法制備了大量的紡錘節(jié)纖維(圖8)。為了避免重力引起的液體流動(dòng)，他們用兩根毛細(xì)管將纖維水平固定在聚合物溶液中[PMMA 和N,N?二甲基甲酰胺(DMF)]并使纖維一直處于拉緊狀態(tài)，圓柱形聚合物薄膜由于Rayleigh 不穩(wěn)定而破裂成液滴，最后形成周期性的主軸結(jié)。

圖6 二氧化鈦顆粒形貌及潤(rùn)濕性(a)，紫外光照法制備親水星形圖案表面(b)，霧水收集過程的光學(xué)顯微鏡圖(c)[42]Fig.6 SEM image of TiO2 particles and the wettability(a).Fabrication of star?shaped pattern surface under UV light irradiation(b).Water collection processes observed by an optical microscopy(c)[42]

2.2.3 微流體法 利用微流體法能夠制備出含有磁性Fe3O4納米粒子的揮發(fā)性油滴，在蒸發(fā)和干燥的過程有助于沉積磁性Fe3O4納米粒子以獲得紡錘節(jié)。He 等[55]采用該思路成功制造出可調(diào)的磁性紡錘節(jié)微纖維，他們發(fā)現(xiàn)不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度能夠影響微纖維的移動(dòng)、圖案化和組裝控制，此外，具有周期性磁性紡錘節(jié)的微纖維在自操控下可以形成蜘蛛網(wǎng)般的結(jié)構(gòu)，以獲得良好的霧水收集能力。更為重要的是，這種具有自我控制能力的微纖維對(duì)于細(xì)胞培養(yǎng)和組織工程等方面也具有很大的應(yīng)用前景[56?57]。

圖7 浸涂法制備仿生纖維流程(a)，基于不同聚合物的纖維結(jié)點(diǎn)上的定向水滴移動(dòng)過程(b)[51]Fig.7 Fabrication process of bio?inspired fibers with dip?coating method(a).Directional droplet movement on different polymeric fiber nodes(b)[51]

圖8 流體涂覆法制備仿生纖維的示意圖[54]Fig.8 Schematic illustration of the fluid coating method used for the large?scale fabrication of bioinspired fibers[54]

2.2.4 靜電紡絲法 Tian 等[58]利用靜電紡絲技術(shù)合成了一種特殊的串珠結(jié)構(gòu)纖維(BSHFs)，在同軸噴射過程中，采用了低黏度可噴射的外液和高黏度可旋轉(zhuǎn)的內(nèi)液，使得親水型的聚乙二醇微球成功地蓋印在疏水聚苯乙烯管柱上形成串珠結(jié)構(gòu)，串珠結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定的膨脹或收縮變化，讓水滴能夠在Laplace力與表面能的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)定向移動(dòng)并聚結(jié)。此外，Zhao 等[59]利用納米粒子通過靜電紡絲在微納米水平上合成了另外一種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的串珠纖維(BHBF)，經(jīng)過水蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝的機(jī)理分析后，他們證明BHBF 所特有的親水型串珠具有良好的集水能力。Dong 等[60]同樣采用該方法，探究了內(nèi)外兩種溶液的流速和外層溶液的稀釋濃度對(duì)纖維形貌的影響，結(jié)果顯示，只有控制合適的流速以及恰當(dāng)?shù)耐饬黧w濃度時(shí)，才能制備出均勻凸起的紡錘狀結(jié)構(gòu)纖維。

2.3 仿仙人掌錐形刺狀結(jié)構(gòu)

2.3.1 模板復(fù)制成型法 Ju等[61]利用模板復(fù)制成型法制備出具有不同排列方式的聚二甲基硅氧烷(PDMS)錐形陣列，隨后他們測(cè)試了不同表面的霧氣收集情況，發(fā)現(xiàn)六方排布的PDMS 錐形陣列有助于更多的霧水在其表面聚結(jié)和快速地定向移動(dòng)。由于霧水收集是一種被動(dòng)集水過程，即在無風(fēng)的條件下霧水很難轉(zhuǎn)移到收集材料的表面上，為此Peng等[62]結(jié)合模板復(fù)制技術(shù)研制出一種磁響應(yīng)的柔性錐形陣列，可在無風(fēng)條件下利用磁誘導(dǎo)進(jìn)行霧水收集。如圖9(a)所示，首先將平均直徑為2 mm 的鈷磁性微粒(CoMPs)分散到每個(gè)陣列的機(jī)械孔中，然后將固化劑PDMS 澆鑄在裝有CoMPs 的模板上，最后將樣品放置在磁場(chǎng)強(qiáng)度約為0.9 T的永磁體上，在脫氣和固化的過程中使CoMPs 在孔中垂直排列。高速相機(jī)記錄了響應(yīng)磁場(chǎng)的錐形陣列運(yùn)動(dòng)情況以及霧水收集過程[圖9(b)]，結(jié)果顯示，當(dāng)給定一個(gè)移動(dòng)磁場(chǎng)時(shí)，錐形陣列可以在無風(fēng)的環(huán)境下“隨磁擺動(dòng)”地進(jìn)行霧水收集。

圖9 有序磁錐形陣列的制作原理圖及相應(yīng)的光學(xué)和掃描電鏡圖像(a)，高速相機(jī)觀察有無外加磁場(chǎng)作用下的磁錐形結(jié)構(gòu)集水情況(b)[62]Fig.9 Schematic diagram of the fabrication of ordered magnetically conical arrays and the corresponding optical and SEM images (a).In situ CCD camera observation of the water collection of a magnetic cone with and without the external magnetic field (b)[62]

2.3.2 化學(xué)刻蝕法 化學(xué)刻蝕法可將細(xì)金屬絲制備成類似仙人掌針刺的錐形結(jié)構(gòu)。如Ju等[63]采用電化學(xué)刻蝕和化學(xué)改性法制備了錐形銅絲(CCW)，通過調(diào)節(jié)升降臺(tái)速度以達(dá)到梯度電化學(xué)刻蝕的目的。與純親水或疏水表面相比，呈梯度的CCW 表面由于親水和疏水區(qū)域的綜合優(yōu)勢(shì)，具有較大的液滴下降運(yùn)動(dòng)速度和液滴聚結(jié)速率。類似地，Heng 等[64]利用金屬絲并結(jié)合氣相法制備出類似的仙人掌錐形結(jié)構(gòu)，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該錐形刺的集水量是普通仙人掌的1.4倍至5.0倍。Xing等[65]考察了表面形貌對(duì)錐形銅刺集水速率的影響，發(fā)現(xiàn)納米針狀形貌表面具有較好的霧滴捕捉能力，而納米葉片狀形貌表面更有利于驅(qū)動(dòng)液滴運(yùn)動(dòng)。

2.3.3 3D 打印法 如圖10(a)所示，Li 等[66]采用沉浸表面累積三維打印工藝(immersed surface accumulation based 3D printing)成功地制造出了仿仙人掌葉片上簇狀的針形微結(jié)構(gòu)。在加工過程中，光固化樹脂被選擇性地曝光從而形成特定的仿仙人掌簇狀的針形微結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，3D打印的仙人掌刺狀微結(jié)構(gòu)有助于水滴的凝結(jié)和運(yùn)輸，通過改變3D打印的仙人掌刺結(jié)構(gòu)的表面疏水性可以進(jìn)一步增加水滴凝結(jié)速率[圖10(b)]。

圖10 沉浸表面累積三維打印工藝示意圖(a)，三維打印仿仙人掌的簇狀針形微結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖以及霧水收集過程(b)[66]Fig.10 Schematic diagram of the immersed surface accumulation?based 3D printing technology(a).SEM images of the cluster?like needle?shaped microstructure of the bionic cactus and the fog collection process (b)[66]

2.4 仿豬籠草口緣表面結(jié)構(gòu)

2.4.1 外部刺激響應(yīng)法 受豬籠草捕蟲機(jī)制的啟發(fā)，Wong 等[67]首次開發(fā)了濕滑液注入多孔表面技術(shù)(slippery liquid?infused surfaces，SLIS)，該表面具有極端的液滴移動(dòng)性和滑落特性，擁有較高的冷凝效率和良好的集水效果。此后，Wang 等[68]將全氟聚醚(PFPE)注入氟化共聚物改性的熱塑性聚氨酯(TPU)納米纖維膜中制成了一種具有彈性變形能力的柔性SLIS，通過控制液滴的滑動(dòng)行為，應(yīng)力響應(yīng)型的SLIS 表現(xiàn)出高效的集水能力。如圖11 所示，Huang等[69]利用磁響應(yīng)法將PDMS 與鐵粉混合以形成磁響應(yīng)的柱形陣列，該陣列在外加不同方向磁場(chǎng)的作用下可以從完全垂直(超疏水狀態(tài))轉(zhuǎn)變?yōu)閹缀跗教沟男螒B(tài)，此外，該SLIS 還可以根據(jù)需求改變液體的排斥性，實(shí)現(xiàn)液體的可控收集。

2.4.2 光刻法 光刻法也被用于仿豬籠草口緣表面結(jié)構(gòu)的制備。如Chen 等[70]創(chuàng)新性地將斜坡曝光與二次曝光光刻技術(shù)相結(jié)合，成功制造出了液體單方向鋪展搬運(yùn)的仿豬籠草弧形外廓和楔形孔表面(圖12)。首先通過斜坡曝光制作出傾斜微坑陣列，然后調(diào)節(jié)曝光角度來改變微坑傾斜角度然后在密排微坑陣列上勻膠，最后利用二次曝光制備出微溝槽，從而得到液體單向鋪展運(yùn)輸?shù)姆律砻鎇70]。隨后，他們還采用高分辨率立體光刻技術(shù)制作出類似的仿生表面，結(jié)果表明該表面表現(xiàn)出自發(fā)的液體單向輸送特征[71]。這種具有快速、長(zhǎng)距離的單向液滴擴(kuò)散特性的仿生表面不僅能應(yīng)用于霧水的收集，它對(duì)藥物的無動(dòng)力輸送以及機(jī)械工程中的自潤(rùn)滑特性等同樣適用[72?73]。

3 集水效率的提升

由于霧水收集過程涉及一系列的物理變化，包括液滴成核、聚結(jié)、運(yùn)輸和脫落等[74]，因此，理想的霧水收集材料應(yīng)該能夠促進(jìn)液滴快速成核和聚結(jié)、能夠加速亞毫米級(jí)液滴的快速脫離以及降低液滴的再次蒸發(fā)。大量研究結(jié)果表明疏水的表面能夠加速液滴聚結(jié)而親水的表面能夠加速液滴成核[75?76]，所以混合潤(rùn)濕性的表面可以增強(qiáng)霧水收集效率，此外，材料表面的特殊微觀結(jié)構(gòu)也有助于霧水收集效率的提升。例如，豬籠草的光滑楔形溝槽邊緣能夠加速液滴脫落、瓶子草的高低微米級(jí)通道結(jié)構(gòu)以及稻草葉表面的規(guī)則通道均能顯著提升水滴運(yùn)輸速度等。然而，之前大部分的研究在霧水收集效率的提升方面上只考慮到模仿一種生物的集水機(jī)制，因此，本節(jié)將從表面化學(xué)修飾以及表面形貌構(gòu)建兩方面出發(fā)，從多種生物的集水機(jī)制相結(jié)合的角度來討論增強(qiáng)霧水收集效率的設(shè)計(jì)方案。

圖11 磁場(chǎng)響應(yīng)法制備濕滑注入液表面(SLIS)[69]Fig.11 Magnetic field responsive method for slippery liquid?infused surfaces(SLIS)[69]

圖12 光刻法制備液體單方向鋪展搬運(yùn)的仿生表面[70]Fig.12 Bionic surface for liquid spreading and handling in direction prepared by photolithography[70]

3.1 納米布沙漠甲蟲與仙人掌結(jié)構(gòu)相結(jié)合策略

最近，有研究團(tuán)隊(duì)設(shè)想通過結(jié)合沙漠甲蟲背部的疏水/親水微圖案與仙人掌刺的梯度微幾何形狀，開發(fā)出一種新穎的、更高效的集水材料。如Hu等[77]結(jié)合靜電紡絲技術(shù)和陽極氧化法在銅網(wǎng)上制備出親水的CuOH2納米針(CNNs)和疏水的聚(偏氟乙烯?co?六氟丙烯)納米纖維束(PNFs)的交替復(fù)合膜，當(dāng)復(fù)合膜處于潮濕的霧氣環(huán)境中時(shí)，微型霧滴在復(fù)合膜的表面能梯度作用下定向地從疏水側(cè)輸送到親水側(cè)，表現(xiàn)出優(yōu)異的單向霧水收集能力。但該研究沒有考慮到水滴在收集表面上再蒸發(fā)引起水流失的問題。為此，Ren 等[78]利用飛秒激光鉆孔技術(shù)和選擇性化學(xué)表面修飾法，研制出具有錐形微孔陣列的單層疏水/親水性的Janus 膜，在霧水收集過程中，Janus 膜的集水效率不僅提高了209%，而且再蒸發(fā)率也降低了75%。該Janus 膜表面能夠大幅度降低液滴再蒸發(fā)率的原因在于水滴很容易附著在親水面并與隨后的水滴聚結(jié)長(zhǎng)大。一旦液滴由于Laplace 力的作用而接觸到微孔邊緣時(shí)，它們就可進(jìn)入圓錐形微孔內(nèi)，然后在很短的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移到相對(duì)的表面上，使上表面保持干燥，而下表面則處于濕潤(rùn)狀態(tài)。但是，如何在同一表面上同時(shí)達(dá)到有效的霧滴捕獲、水滴定向轉(zhuǎn)移和降低水分蒸發(fā)的效果，Bai等[79]制備了一個(gè)由立式不銹鋼針、三聚氰胺樹脂的親水性泡沫帶和疏水性硅膠條紋三部分組成的多層次親水/疏水協(xié)同集水器[圖13(a)]，與傳統(tǒng)的集水系統(tǒng)相比，由于分層針的嵌入以及親水泡沫驅(qū)動(dòng)的潤(rùn)濕性梯度的作用使其加快了液滴的捕捉和運(yùn)輸，從而提升了霧水收集效率。此外，該集水器還可改裝成狼牙棒的形狀，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的霧水捕捉和收集[圖13(b)]。

圖13 多層次親水/疏水協(xié)同霧水收集表面(a)，優(yōu)化后的狼牙棒狀霧水收集器(b)[79]Fig.13 Illustration of hierarchical hydrophilic/hydrophobic cooperative fog collecting surface (a).Improved design of fog collector(b)

然而，基于仿生甲蟲和仙人掌的耦合集水策略仍然存在一些問題，比如，水滴只能分散在親水和疏水表面進(jìn)行局部收集、水滴也只能在單個(gè)錐形結(jié)構(gòu)下進(jìn)行自驅(qū)動(dòng)少量運(yùn)輸。為了解決水滴分散和量少等問題，Liu 等[80]受到紫荊葉經(jīng)脈網(wǎng)絡(luò)的啟發(fā)，在仿甲蟲和仙人掌的基礎(chǔ)上研制出一種超親水?超疏水經(jīng)脈網(wǎng)絡(luò)[圖14(a)]。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)首先在于超親水和超疏水的圖案上，之前的集水圖案表面僅具有中等對(duì)比潤(rùn)濕性，會(huì)導(dǎo)致大量的凝聚水黏在親水/疏水區(qū)域的邊界上使得水滴運(yùn)輸受阻，而超親水/超疏水的極端對(duì)比潤(rùn)濕性則具有更優(yōu)的導(dǎo)流特性；其次，類似樹葉經(jīng)脈網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒈砻娣稚⒌奈⑿鸵旱尉劢Y(jié)到經(jīng)脈的軌跡中以減少分散水滴的蒸發(fā)；最后，將經(jīng)脈結(jié)構(gòu)優(yōu)化成錐形形狀，在Laplace 力的驅(qū)動(dòng)下能夠使軌跡中的水滴實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸[圖14(b)]。

3.2 納米布沙漠甲蟲與蜘蛛絲結(jié)構(gòu)相結(jié)合策略

蜘蛛絲的集水能力歸因于其獨(dú)特的微納米纖維結(jié)構(gòu)，但由于微小的水滴在纖維上會(huì)形成許多不規(guī)則的輸水通道導(dǎo)致排水不暢，因此難以收集大量的水滴，而納米布沙漠甲蟲背部規(guī)則的親水峰和疏水凹槽可以為解決排水不良問題提供巧妙的設(shè)計(jì)靈感。基于此，Wang 等[81]在棉織物上噴涂正十八烷基三乙氧基硅烷后，將二氧化鈦(TiO2)納米溶膠噴涂在超疏水纖維表面形成獨(dú)特的光誘導(dǎo)超親水凸起點(diǎn)，這些凸起物可誘導(dǎo)產(chǎn)生潤(rùn)濕性梯度和形狀梯度，協(xié)同促進(jìn)了水滴的融合和收集，而由交錯(cuò)纖維組成的棉織物提供了水滴凝聚通道。為了研究TiO2的涂覆量與集水效率之間的關(guān)系，研究者以不同噴涂距離來制備材料樣品，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在0.5～4 min 內(nèi)的霧水收集過程中，該復(fù)合結(jié)構(gòu)樣品的集水效果比單一結(jié)構(gòu)的參照樣品更加明顯。最近，Xing 等[82]結(jié)合沙漠甲蟲背部的潤(rùn)濕性圖案與蜘蛛絲的梯度結(jié)構(gòu)特征來提高霧水收集效率，他們巧妙使用陽極氧化法來制作有序的親水圓形圖案，在氧化過程中，由于圓形圖案被掩膜遮擋無法被氧化。另外，隨著電流的逐漸增加以及電解質(zhì)逐漸流失所引起的氧化差異可同時(shí)形成潤(rùn)濕梯度。利用此方法所得到的表面不僅提高了霧滴捕獲性能，而且在霧滴收集過程中還可以與疏水基質(zhì)保持有效的排水，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)的集水循環(huán)。

圖14 受多種生物啟發(fā)的霧水收集表面設(shè)計(jì)示意圖(a)，不同的圖案模型、集水表面角度和環(huán)境濕度等條件對(duì)集水效率的影響(b)[80]Fig.14 Schematic illustration of the integrative bioinspired venation network inspired by multi creatures(a).Comparison of the water collection efficiency between the different water collection models,tilt angles and relative humidities(b)[80]

3.3 多種仿生結(jié)構(gòu)結(jié)合策略

最近，Park 等[83]結(jié)合甲蟲、仙人掌以及豬籠草三者的特性設(shè)計(jì)出一種高性能仿生集水材料，其效率是目前仿生材料的6 倍。他們利用3D 陣列聚合物模板將薄鋁片制成類似甲殼蟲背部的粗糙幾何結(jié)構(gòu)，以此提升霧氣的凝結(jié)速度，并在其表面制造SLIPS 納米涂層，實(shí)現(xiàn)表面的零磨擦，有助于水滴的凝結(jié)和運(yùn)輸。當(dāng)微型水滴定向移動(dòng)時(shí)，依靠不對(duì)稱的V 形坡度所致的毛細(xì)力及表面能的相互作用，促使微水滴朝向底部更寬的區(qū)域移動(dòng)，加速脫落。類似地，Zhang 等[84]分別利用自下而上的膠體自組裝、自上而下的光刻技術(shù)以及微結(jié)構(gòu)模板復(fù)制法成功研制出可濕性空心凸點(diǎn)陣列的多仿生潤(rùn)滑材料[圖15(a)]，并將其用于液滴定向輸送、收集、多液滴混合等。該表面由中空的水凝膠凹凸陣列和經(jīng)過注入潤(rùn)滑劑的反蛋白石膜為基底材料組成。其中，中空的親水凸起可以根據(jù)毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力從各個(gè)方向快速吸引和捕獲水滴，而光滑的基底部分則起到了水滴無損運(yùn)輸?shù)淖饔?，在兩者的協(xié)同作用下從而顯著提高了霧水收集效率。此外，通過調(diào)整凸起的中空直徑、凸起的間距和凸起高度等參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化了該表面的霧水收集能力[圖15(b)]。

然而，具有光滑體系的集水材料在靜態(tài)環(huán)境中雖表現(xiàn)出優(yōu)異的集水性能，但在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下表現(xiàn)較差。因此，Wang 等[85]從仙人掌、稻草葉、豬籠草、蝴蝶中汲取靈感，提出了一種動(dòng)態(tài)的集水策略并研制出集水風(fēng)車結(jié)構(gòu)[圖16(a)]，實(shí)現(xiàn)了在靜態(tài)和強(qiáng)風(fēng)環(huán)境中高效率的霧水收集。風(fēng)車獲得風(fēng)能后，液滴在葉片旋轉(zhuǎn)作用下逐漸向周圍的蝸輪噴射并最終滴入容器中[圖16(b)]。葉片分別是經(jīng)過微加工技術(shù)處理的各向異性凹槽葉片(AGS)、PDMS 修飾過的超疏水凹槽葉(SUB?AGS)以及注入親水液的光滑凹槽葉片(HLIP?AGS)。如圖16(c)所示，與其他表面相比，HLIS?AGS 具有超高的水收集效率，這在于親水的潤(rùn)滑劑既可作為緩沖層防止液滴彈跳，又可作為滑動(dòng)層以利排水，而溝槽地形可防止水滴隨機(jī)運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)定向排水。

3.4 仿瓶子草的新型集水材料設(shè)計(jì)策略

瓶子草和豬籠草同屬于水罐植物，但與豬籠草不同的是，瓶子草則依靠毛狀體捕捉霧水并凝結(jié)周圍的水分形成液滴，然后迅速輸送到罐口邊緣，以保持罐口濕潤(rùn)和光滑從而誘捕昆蟲。2018 年，Chen等[86]首次發(fā)現(xiàn)毛狀體表面具有獨(dú)特的高低棱條層次結(jié)構(gòu)，即兩個(gè)相鄰的高級(jí)棱條組成一個(gè)大的通道，而其中所包含的3～5 個(gè)低級(jí)棱條組成小通道[圖17(a)]。當(dāng)多級(jí)微納米表面結(jié)構(gòu)處于干燥狀態(tài)時(shí)，液體傳輸主要依靠固?液接觸產(chǎn)生的毛細(xì)力，此時(shí)液體傳輸模式與仙人掌刺相似，均為逐滴運(yùn)輸[圖17(b)]；而當(dāng)高低棱的溝槽結(jié)構(gòu)潤(rùn)濕后，一層穩(wěn)定的水膜會(huì)維持在表面上，顯著降低后續(xù)液滴的傳輸阻力，表現(xiàn)為液體高速鋪展滑移模式[圖17(c)]，此時(shí)的液滴傳輸速度大約是第一種模式的20倍。此外，研究團(tuán)隊(duì)基于Lucas?Washburn 原理、Onsager 原理與邊界滑移理論分別建立了兩種液滴傳輸模式的理論模型，進(jìn)一步揭示了高低棱條多級(jí)微納米結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)超高速水滴傳輸?shù)挠绊懸?guī)律[86]。此后，Li 等[87]采用激光加工技術(shù)，以兩根高級(jí)棱條和三根低級(jí)棱條為一組制備了超疏水鋁合金表面，不僅具有良好的液滴單向移動(dòng)能力，也表現(xiàn)出超高的集水效率。Kim等[88]結(jié)合仙人掌刺狀結(jié)構(gòu)和瓶子草的毛狀體的結(jié)構(gòu)特征，將PDMS 倒入模具制造出具有垂直對(duì)齊的微型圓錐陣列和分級(jí)微通道的材料表面，由于多級(jí)的微納米結(jié)構(gòu)的存在該表面可顯著提高毛細(xì)力和霧水捕捉能力。目前，關(guān)于仿生瓶子草集水材料的報(bào)道比較少，但這類材料對(duì)于提升集水效率的重要性卻不容忽視。

上述四種仿生策略是從構(gòu)建材料表面微觀結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，結(jié)合多生物集水機(jī)制達(dá)到提升霧水收集效率的目的。然而，除了材料本身的物質(zhì)和結(jié)構(gòu)影響集水量外，一些外部因素也會(huì)影響集水過程，例如風(fēng)速、磁強(qiáng)、溫度、濕度、噴霧距離以及噴霧量等。表1 對(duì)比了不同集水材料在外部條件改變時(shí)的集水效率變化。

4 結(jié)論與展望

擁有強(qiáng)大霧水收集能力的大自然生物為解決世界性的缺水問題提供了新的思路，通過模仿這些動(dòng)植物的結(jié)構(gòu)特征，采用現(xiàn)代化學(xué)處理方法制備出具有霧水收集能力的功能材料是目前從環(huán)境中快速獲取淡水的潛在替代方案。本文分別從界面潤(rùn)濕和液滴運(yùn)輸理論、典型的仿生集水材料的合成方法以及提升霧水收集效率的策略三方面綜述了仿生霧水收集材料的最新研究進(jìn)展。如今，這些集水生物受到越來越多的關(guān)注，相應(yīng)的仿生集水材料也在水資源短缺領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大潛力，這對(duì)一些偏遠(yuǎn)和欠發(fā)達(dá)地區(qū)的淡水供應(yīng)問題具有重要意義。但目前制備的霧水收集材料仍然存在以下幾方面問題。

圖15 多生物啟發(fā)的可濕性空心凹凸陣列的制備方案(a)，濕滑表面的集水性能優(yōu)化(b)[84]Fig.15 Schemes of the multi?bioinspired slippery surfaces with wettable hollow bump arrays (a).Water collecting performance optimization of slippery surface(b)[84]

圖16 液滴脫落過程的系列圖片(a)，風(fēng)車集水過程演示(b)，不同類型的風(fēng)葉在強(qiáng)風(fēng)下的集水性能對(duì)比(c)[85]Fig.16 Series of pictures showing droplet shedding process(a).Demonstration of the water collection process in windmill(b).Comparison of water collecting performance of different types of blades under strong wind (c)[85]

圖17 瓶子草高低棱條結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微圖(a)，水滴在毛狀體上的逐滴輸送模式(b)，水滴在毛狀體上的鋪展運(yùn)輸模式(c)[86]Fig.17 Optical images of the Sarracenia trichome’s high and low rib structure(a).Drip?by?drop transport pattern of water droplets on a trichome(b).The spreading transport pattern of water droplets on triceps(c)[86]

表1 仿生集水材料在不同外部條件下的霧水收集效率Table 1 Fog collection efficiencies on the bioinspired surfaces with different external conditions

（1）除了材料本身的物質(zhì)和結(jié)構(gòu)因素影響集水量外，一些外部因素也會(huì)影響集水過程，例如風(fēng)速、磁強(qiáng)、溫度、濕度、噴霧距離以及噴霧量等。因此，需要建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)判集水效率。

（2）人工微納米結(jié)構(gòu)表面集水的缺點(diǎn)在于集水過程并不是全天候、快速的，這將阻礙這些材料的實(shí)際應(yīng)用。仿生的最終目的在于應(yīng)用，研究成果的商業(yè)化要求必須考慮技術(shù)適用性和擴(kuò)展性、易操作性、成本效益、穩(wěn)定性和耐久性等。而目前仿生集水材料的制造技術(shù)大多耗時(shí)耗力。

（3）單一生物仿生學(xué)的優(yōu)勢(shì)可能有限，受多生物仿生學(xué)啟發(fā)，設(shè)計(jì)合理的仿生策略可以應(yīng)用于更為廣泛的集水材料和技術(shù)。此外，現(xiàn)有的集水材料主要集中在一維和二維表面上，以后應(yīng)更多地關(guān)注三維集水材料的研制。仿生霧水收集技術(shù)對(duì)解決干旱地區(qū)的淡水獲取問題具有重要意義，但這項(xiàng)技術(shù)正處于萌芽階段，人類還有更多的知識(shí)要向大自然學(xué)習(xí)。

符 號(hào) 說 明

fSL,fLV——分別為液滴與固體接觸的面積百分?jǐn)?shù)和液滴與空氣接觸的面積百分?jǐn)?shù)，%

L——從疏水區(qū)到親水區(qū)長(zhǎng)度的積分變量，m

R——液滴半徑，m

r——局部半徑(r1和r2是兩個(gè)相對(duì)側(cè)的脊柱局部半徑)，m

Z——疏水區(qū)域直徑的積分變量，m

β——紡錘節(jié)或錐形脊柱疏水區(qū)域的半頂角，(°)

γSV,γSL,γLV——分別是固?氣、固?液和液?氣相之間的界面張力，mN·m?1

θ——液滴在光滑固體表面上的本征接觸角，(°)

θ*，θ'，θa，θr——分別為液滴在粗糙表面的表觀接觸角、液體在理想空氣表面的接觸角、前進(jìn)接觸角和后退接觸角，(°)