胡安焱，付穩(wěn)東，蘇 強(qiáng)，劉玥彤，李子樂

(長安大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

1 沙漠地區(qū)水汽收集的意義

地球上的水量是穩(wěn)定的和不斷循環(huán)的，淡水所占比例很??；而淡水中只有一小部分的水被人類和生物利用。具有吸濕結(jié)構(gòu)的植物和納米比亞沙漠甲蟲解決缺水問題的方法表明沙漠地區(qū)空氣中有寶貴的水資源。空氣中的水量由三個(gè)主要參數(shù)決定，包括相對濕度、空氣溫度和總氣壓。缺水是沙漠地區(qū)生物生存面臨的最大挑戰(zhàn)；因此，如何進(jìn)行水汽收集是干旱區(qū)生物迫切需要解決的問題。

近年來發(fā)展的濕空氣制水技術(shù)具有安全性好、利用簡單、太陽能和風(fēng)能發(fā)電靈活、效率高、成本低等特點(diǎn)，但由于天氣條件的限制而效率低下。隨著材料科學(xué)和仿生技術(shù)的發(fā)展，尋找安全可靠、能耗低、成本低的新型水汽收集材料成為趨勢[1]。

2 自然界生物水汽收集原理

(1)沙漠甲蟲：納米比亞沙漠甲蟲由于表面具有親水-疏水模式，因此具有優(yōu)越的捕霧能力，親水模式捕獲水分，然后通過疏水區(qū)域輸送[2]。

(2)蜘蛛絲：蜘蛛絲的微納米結(jié)構(gòu)及其組成蛋白質(zhì)序列對蜘蛛絲優(yōu)異的化學(xué)和物理性能起著重要作用。隨著環(huán)境中水汽濕度的增加，蜘蛛網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)變?yōu)橹芷谛缘募忓N體結(jié)構(gòu)，隨后節(jié)點(diǎn)處的水霧出現(xiàn)定向移動(dòng)現(xiàn)象，收集水汽[3]。

(3)沙漠蜥蜴：沙漠蜥蜴身上具有蜂窩狀的鱗片，鱗片之間有復(fù)雜的毛細(xì)管系統(tǒng)。蜂窩狀結(jié)構(gòu)使表面超親水使水汽冷凝；通過毛細(xì)管系統(tǒng)向蜥蜴口腔輸水[4]。

(4)仙人掌刺：仙人掌具有完整的捕霧系統(tǒng)是由于潤濕性差和拉普拉斯壓力梯度的共同作用。仙人掌脊柱的表面凹槽使其具有很強(qiáng)的集霧和后續(xù)輸水能力[5]。

(5)沙漠針茅：在納米比亞沙漠中的針茅草有縱向的運(yùn)行凹槽，它攔截霧流中的水滴，把它們引到植物的底部，最后達(dá)到根部[6]。

(6)其它生物：生物結(jié)皮的存在有利于沙漠地表凝結(jié)水的形成[7]。豬籠草光滑的內(nèi)表面生長有微刺結(jié)構(gòu)，收集水汽，凝結(jié)成液滴[8]，通過水罐裝置定向輸送。

3 仿生超級親水和超級疏水材料

3.1 仿生超級親水和超級疏水材料

受沙漠甲蟲的啟發(fā)，具有親水-疏水性能的銀納米線可以高效地從潮濕空氣中獲取水分。蜘蛛絲的特性激發(fā)了許多應(yīng)用，如水收集器等，拉普拉斯壓力和濕潤梯度的協(xié)同作用在水收集以及連續(xù)、定向和遠(yuǎn)程傳輸中起著至關(guān)重要的作用[9]。以蜥蜴的身體結(jié)構(gòu)為模板，設(shè)計(jì)了多種聚合物和金屬人工表面，用于水的收集和保存。模擬仙人掌脊錐的集水特性，構(gòu)建了錐形微針尖具有捕霧能力，集水效率高[10]。隨著界面化學(xué)和仿生材料科學(xué)的迅速發(fā)展，越來越多的仿生超疏水/超親水材料被設(shè)計(jì)和制備出來，包括自清潔、水收集、液體輸送和分離等[11-12]，見表1所示。

表1 生物水汽收集特點(diǎn)及其仿生材料

表2 用于水汽收集的仿生物組合材料

3.2 不同仿生材料結(jié)合的水分收集方式

受納米比亞沙漠甲蟲和仙人掌刺上特殊結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，由直立的鋼針、親水的三聚氰胺樹脂泡沫和疏水的二氧化硅條帶組成新的集水材料，提高了霧收集效率[13]。以蜘蛛絲和沙漠甲蟲為靈感制備高集水效率的超濕潤材料和超親水圖案[14]。在納米比亞甲蟲和針茅啟發(fā)下，制備了一種各向異性的混雜表面；超親水軌道構(gòu)建在超疏水表面上，增強(qiáng)了霧的捕獲和快速輸送能力，提高了集水效率[15]。

結(jié)合仙人掌、豬籠草和沙漠甲蟲優(yōu)勢的新方法[16]。研究人員設(shè)計(jì)出類似沙漠甲蟲的凸起。他們將凸起與類似仙人掌刺的不對稱斜坡結(jié)構(gòu)結(jié)合。凸起用于將水汽生成液滴，斜坡用于定向輸送收集的液滴。同時(shí)，從豬籠草中提取的分子光滑潤滑劑被固定在納米結(jié)構(gòu)上，收集水量的效率更高。通過仿生沙漠甲蟲的背部和蜘蛛絲，在棉織物上制備了超疏水表面并噴涂Tio2納米溶膠，產(chǎn)生超親水凸點(diǎn)，產(chǎn)生形狀梯度和潤濕性梯度，水的收集效率提高很大。雖然已經(jīng)制造了各種仿生組合材料來收集霧和輸送水，但是很難設(shè)計(jì)出能夠同時(shí)快速凝結(jié)水和輸送水的表面[16]。用于水汽收集的常用仿生物組合材料見表2所示。

4 結(jié)語

目前基于仿生原理的干旱沙漠地區(qū)空氣中水汽收集研究存在的問題與展望如下：

(1)開發(fā)多種新材料提高仿生效應(yīng)。雖然仿生技術(shù)取得了一些進(jìn)展，但很難高度恢復(fù)原始生物的屬性。開發(fā)多種新材料是提高仿生效應(yīng)的途徑。

(2)將計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能技術(shù)結(jié)合到仿生學(xué)中，快速、精確、準(zhǔn)確地控制仿生材料的合成。

(3)超疏水/超親水材料面臨挑戰(zhàn)，需要設(shè)計(jì)和利用具有響應(yīng)性或智能性的智能材料。(4)仿生材料與新技術(shù)不斷融合。仿生材料(如硅藻土-海藻酸鹽等)和新技術(shù)(包括3D打印等)不斷融合對于在干旱沙漠地區(qū)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的集水供水具有重要的意義。