地球上不含有盐分的水有1/3散布在空气中,收集空气中的水,是缓解水资源短缺问题的一种可行途径。从雾中大量取水,目前比较简单的办法通常是采用高导热金属制成表面光洁的圆筒,竖立于多雾的空气中,其表面附着的雾很快便凝聚成水,继而制备淡水。近年来雾水工程已逐渐演变为一新兴技术行业,并且伴随仿生工程技术研究的深入,基于蜘蛛丝捕雾原理(图1)的集水技术,日益得到国内外科学家和工程师的关注。
现有研究表明,蜘蛛丝之所以能够有效收集雾水在于蜘蛛丝的特殊微观结构(图2),并且集水能力取决于蜘蛛网湿了之后所发生的一个结构变化。通过观察自然界蜘蛛丝上微区水收集行为发现,几十微米尺度的液滴能够在蜘蛛丝上从一个区域移到另一个区域,展示了液滴运动的方向性,并在微纳米结构层次上具有定向集水的多尺度协同效应。
基于以上认识,中国科学家人工构造出“湿后重构”纤维,用于捕集雾水。相关突破性成果被Nature作为封面文章报道。“湿后重构”纤维以周期性纺锤节为特征,由随机的纳米纤维构成,被排列整齐的纳米纤维节点分隔开(图2)。这种结构在纺锤节和节点之间产生一个表面能量梯度,并在作用在与纺锤节或节点相接触的水滴上的压力上产生一个差别。这样,可确保水能在节点周围不断凝结,然后被定向输送到纺锤节上(见图3),在那里它能积聚成悬挂起来的大水滴,进而达到高效集水的目的。
蜘蛛丝高效集水机制启迪科学家设计制造大规模的人造纤维网以收集雾气中的水,来满足干旱地区、岛礁等水源缺乏地区人们的淡水需求。伴随仿生工程研究的深入,奇特的捕雾神器,我们拭目以待。
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