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技術文章
Technical articles
更新時間：2022-11-03
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霧水收集對解決水資源短缺具有重要的意義，如何提升霧水收集效率一直是研究熱點。高效的霧水收集需要同時滿足高效捕捉和快速傳輸兩個嚴苛的條件。受大自然啟發，制備合適的仿生系統被認為是實現這兩個嚴苛條件的有效方法。然而，目前制備的仿生系統結構單一，精度較低，無法實現高效的霧水收集。
近日，西南科技大學李國強教授領導的仿生微納精密制造團隊，受小麥麥芒啟發，利用PμSL3D打印技術（深圳摩方材料科技有限公司，nanoArch® S130）構造了仿生麥芒分級系統，實現了高效的霧水收集。經過優化設計的仿生麥芒霧水收集系統，表面分布有眾多微型刺狀取向收集器，擴大了收集的有效面積，增強了霧滴捕捉效率，并突破傳統結構下滴狀傳輸的限制，實現了高速的膜狀傳輸，極大地提高傳輸速度和收集效率。該系統的水霧收集效率可達5.9g/cm2·h，有望應用于液滴傳輸、藥物運輸、細胞牽引、海水淡化等科學技術領域。
圖2 自然麥芒與仿生麥芒的結構特征及演變規律。a-c.自然麥芒表面微刺、凹槽的結構特征統計曲線圖。d-e.5種不同結構形式仿生系統示意圖。f-g. 不同結構形式仿生系統的表征。h.仿生麥芒隨微刺數目增加的結構演變示意圖。
要點：小麥麥芒可從潮濕空氣中捕捉微小霧滴作為水分供給。這種高效的霧水收集能力主要是源于表面的錐形脊柱、梯度凹槽、方向性刺集成的分級微納系統。通過對結構特征的分析，借助PμSL打印技術的高精度性、自由性對結構進行拆解、重新整合，并根據結構的演變過程優化構建模型，編程調控制備了不同結構形式的仿生系統，包括仿生脊柱系統（A-spine）、仿生凹槽系統(A-grooves)、仿生麥芒系統體系(A-awn-2、A-awn-3、A-awn-4）。
圖3 不同結構形式仿生麥芒的霧水收集過程。a-e. 仿生脊柱（Ⅰ）、仿生凹槽（Ⅱ）、仿生麥芒體系（Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）在水霧環境下逆重力的霧滴捕捉輸運過程。
圖4 仿生麥芒的水霧收集作用機理。a-c. 仿生脊柱（Ⅰ）、仿生凹槽（Ⅱ）、仿生麥芒體系（Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）逆重力下的霧滴運輸距離、速度、體積的統計曲線圖。d-f. 仿生脊柱、仿生凹槽、仿生麥芒體系的霧水收集機理分析。
要點：通過在水霧環境下觀察，在仿生脊柱與仿生凹槽結構表面，霧滴以大液滴的形式進行定向地輸運——滴狀傳輸。但在仿生麥芒系統體系表面，無明顯大液滴出現，相反霧滴是以一層薄水膜進行定向輸運——膜狀傳輸。液體傳輸模式的轉變主要是受表面微結構所影響。脊柱與凹槽單級仿生結構系統，難以實現對霧滴快速高效的捕捉，無法在表面形成連續穩定的液體薄膜，所捕捉液滴易受周圍液滴的吸引合并成大液滴進行傳輸。當其體積增大到某數值時，結構所產生的拉布拉斯力無法繼續驅動液滴運動，最終釘扎在表面。而仿生麥芒分級系統體系，由于表面附加了眾多的微型刺狀取向收集器，增強了霧滴捕捉能力，實現快速的潤濕過程，在表面形成連續穩定的液體薄膜。且與表面其他微滴合并凝結相比，微滴在水膜表面滑動的所需時間更短，因此更傾向于沿水膜表面運動，使得傳輸速度和收集效率得到顯著的提升。實驗結果表明，膜狀傳輸的速度要比滴狀傳輸高40倍，可實現3.5 mm/s的傳輸速度和 5.9 g /cm2·h的收集效率。
該工作以 “Programmable 3D printed wheatawn-like system for high-performance fogdropcollection" 為題發表在國際著名期刊《Chemical Engineering Journal》上。該項工作得到了國家自然科學基金委、四川省科技廳等基金項目的支持。
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