本文來自微信公眾號：X-MOLNews

從大氣中有效獲取清潔水，為日益嚴重的全球水資源和能源短缺提供了一種潛在的可持續解決方案。氣霧的水收集是一種典型方案，可實現快速的現場生產，其收集方式多啟發於原始生物適應性進化以應對惡劣環境的生物學特徵。

纖維素是地球上最古老、最豐富的天然高分子，是一種具有強吸濕性的可再生材料。其分子骨架β-D-吡喃葡萄糖環上豐富的羥基為霧收集提供了高效的親水域。然而，連續的親水域會導致表面成核液滴的釘扎，以及凝聚水膜的界面屏蔽。通過化學基團調控和結構設計，巧妙地利用多種仿生原理設計協同的液滴成核和去除機制，將實現纖維素材料在水收集領域的無限潛力。

近日，聶雙喜教授（點擊查看介紹）團隊從仙人掌刺和甲殼蟲翅膀表面構造中獲得靈感，發明了可從霧中收集水滴的纖維素新材料。通過選擇性調控纖維素表面自由能的極性分量和色散分量，實現了非連續的分子級親/疏水域。隨後將其塗敷在非對稱刺表面，簡單構造了可以實現液滴快速成核和去除的雙重仿生表面。值得注意的是，霧滴與收集器之間自發的界面電荷作用被首次開發和利用，實現了前所未有的高水收集效率（93.18 kg/m2 h）。這項成果發表在Nature Communications 上，2021級博士生張松為第一作者，聶雙喜教授為通訊作者。

圖1. 纖維素基非對稱兩親性表面的設計。

仙人掌是極少數適合在極度乾旱地區生長的植物之一，除了通過將葉子退化為針以避免水分的蒸發和流失，其針刺還具有主動收集霧，以提供外源水分補充的作用。其脊柱尖端及其表面的倒刺提供水霧附著和凝聚的位點，脊柱的徑向非對稱結構提供了拉普拉斯壓，驅動表面液滴向根部運動。此外，沙漠甲蟲同樣可以從稀薄的空氣中獲取水分，其背部鞘翅表面具有親水-疏水區域分布。親水區捕捉水霧，液滴凝聚增大後轉移至疏水區，疏水區的低表面能使大液滴從鞘翅表面快速去除。研究團隊受到這兩種生物精緻結構和巧妙機制的啟發，本文設計了一種纖維素基雙重仿生水霧收集表面。

圖2. 靜電輔助水收集的性能。

幾乎所有已知的材料都具有接觸起電效應，水滴與聚合物在接觸分離時同樣會發生電荷轉移。作者首次揭示了水收集表面與霧滴之間存在的靜電吸附現象，並將其用於輔助增強水收集。最終獲得了93.18 kg/m2 h的極高水收集效率，高於目前已知仿生甲殼蟲和仙人掌的霧收集器。

結論

本文受甲蟲翅鞘和仙人掌刺的啟發設計了一種纖維素基非對稱兩親性表面，結合自發的界面摩擦電吸附作用，實現了前所未有的水收集效率。高效的水收集效率主要源於兩親性纖維素酯塗層表面化學親水組分（液滴成核位點）和疏水組分與非對稱結構拉普拉斯壓的協同作用。此外，作者系統地證明了液滴與水收集器表面之間自發的靜電吸附及外加電荷增強的靜電吸附作用。該系統不僅適用於多霧地區，還有望應用於熱電廠、造紙廠冷卻塔的蒸汽回收，同時也為緩解水-能源關係提供了一種通用的解決方案。

Bioinspired asymmetric amphiphilic surface for triboelectric enhanced efficient water harvesting

Song Zhang, Mingchao Chi, Jilong Mo, Tao Liu, Yanhua Liu, Qiu Fu, Jinlong Wang, Bin Luo, Ying Qin, Shuangfei Wang & Shuangxi Nie

Nat. Commun., 2022, 13, 4168, DOI: 10.1038/s41467-022-31987-w

導師介紹

聶雙喜

https://www.x-mol.com/university/faculty/338324