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自然中的热现象:纳米布沙漠甲虫的凝结集水机制

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发表于 2020-4-5 12:45:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
纳米布沙漠是世界上最古老、最干燥的沙漠之一,位于非洲纳米比亚安哥拉境内。该沙漠沿非洲西南大西洋海岸延伸2100千米,最宽处达160千米,而最狭处只有10千米,如图1(a)所示。在干燥且高低温变化异常的大沙漠中,竟然还有生活着一种神奇的昆虫——纳米布沙漠甲虫。面对此现象,我们会好奇的问:纳米布沙漠甲虫有哪些特异的集水机制让其在沙漠自由生活?


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图1  纳米布沙漠甲虫凝结集水


“物竞天择,适者生存”,纳米布沙漠甲虫为了适应干旱的沙漠环境,在长期的自然进化中激发产生了独特的生物表面构造,使其在沙漠地带高效收集水分。英国科学家在国际权威期刊Nature (2001, 415: 33-34)报道指出,纳米布沙漠甲虫是生命适应地球自然环境的奇妙代表, 其奥秘在于甲虫背部独特的亲疏水功能表面结构,使其能高效获得空气中的水分。研究表明,甲虫背部是由一层超疏水基底和间隔排布的强亲水小突起组成,见图1(b)。例如,成年雌性甲虫的背部, 有很多直径约0.5mm且呈无规则排列的小突起,间距在0.5-1.5mm间。表面突起的显微观测表明,突起顶部光滑洁净无覆盖物并有强亲水性, 侧斜面和周围底面则是一层超疏水表面(类似荷叶超疏水表面),由直径约10μm且呈规则六边形排列的半球形结构组成。

甲虫在纳米布沙漠中是如何集水呢?与其他沙漠不同,虽然常年不下雨,但纳米布沙漠却是世界上雾最多的沙漠之一。在晚上,沙漠地面温度迅速下降,当大西洋饱含水汽的热浪冲向纳米布沙漠时,湿热空气在地面遇冷凝成雾。我们知道,空气中水汽在低温表面则会凝结成水珠。当夜晚来临时,甲虫们攀登至沙丘最高点,以便获得最多的水汽。此外,由于与天空之间的辐射作用,甲虫体温低于气温,甲虫背表面的亲水区域能高效捕捉空气中的微小水珠, 见图1(c)。值得一提的是,纳米布甲虫经过长期的自然进化,在翅膀上形成了一种超级亲水皮肤并其背部还有一种超疏水凹槽。甲虫将大气雾中的微小水珠吸聚在它的皮肤上,然后顺着超疏水的“沟渠”流下,最后汇聚的水滴流入到甲虫的口中。

纳米布沙漠甲虫的独特集水现象,为新型高效冷凝换热器的设计研发提供新的启迪和素材,未来可能为相变传热领域带来颠覆性的创新技术。


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