由于人口的增長，對淡水的需求有望不斷增加。淡水短缺影響了全球40％以上的人口，而且預(yù)計還會增加，特別是在世界上一些最貧困的國家，農(nóng)民為滿足農(nóng)業(yè)用水，幾乎排干了中亞的一個巨大的內(nèi)陸湖泊。開發(fā)新的水源將有利于解決淡水短缺問題。
在自然界中，自然生物通過獨特的結(jié)構(gòu)（如圓錐形的仙人掌簇，周期性的紡錘節(jié)和蜘蛛絲的關(guān)節(jié)，多形棘突棘和瓶子草的毛狀體）將霧逐滴凝結(jié)收和運輸。這些自然表面上存在的表面能梯度或結(jié)構(gòu)梯度在集水中起著至關(guān)重要的作用，可以引起的拉普拉斯壓力驅(qū)動收獲的水滴在其干燥表面上的運動。這種情況在實際使用中會導(dǎo)致嚴(yán)重的問題：液滴沿梯度傳輸，需要融合成大液滴，然后沿網(wǎng)，線或基材滑落或滴落，限制了液滴的收集效率。因此，設(shè)計能夠使液滴快速生長并盡快脫落的表面至關(guān)重要。
近日，江雷院士、董智超等人揭示了豬籠草植物的骨膜上水滑層的生成機(jī)理，并證明了多曲率增強(qiáng)的優(yōu)良集水和運輸能力。研究表明，豬籠草表面的棘齒上的水滴成核，通過凹坑穩(wěn)步增加的自收集水量以及將獲取的水運到溢流處整個蠕動的拱形通道。用水浸透的蠕動表面可以進(jìn)一步將水的傳輸速度提高約300倍。這種多尺度曲率設(shè)計的靈感為水和有機(jī)蒸汽收集器提供了可行性策略，并可延伸至蒸發(fā)塔，化學(xué)工業(yè)，實驗室甚至廚房的應(yīng)用范圍。相關(guān)工作以“Liquid harvesting and transport on multiscaled curvatures”發(fā)表在PNAS上
豬籠草蠕動表面的結(jié)構(gòu)及集水輸水機(jī)理
掃描電子顯微鏡（SEM）圖像豬籠草每個牙齒都有一個圓錐形的形狀（棘齒），相鄰棘齒之間的凹面形成一個凹形結(jié)構(gòu)（張角α為45°），由高度定向?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)的脊組成，沿著棘齒表面規(guī)則分布。在較大的山脊中，亞毫米級和微米級鴨嘴狀腔體結(jié)構(gòu)從內(nèi)側(cè)到外側(cè)排列在彎曲的蠕動表面上，形成拱形通道（曲率半徑約為2.3 mm）。當(dāng)干的蠕動表面在相對濕度為95％的霧中放置時，具有不同曲率的棘輪，凹面和拱形通道結(jié)構(gòu)形成了蠕動表面特征可以連續(xù)快速地收集和輸送冷凝水，這是錐形棘輪所產(chǎn)生的拉普拉斯壓力和凹面處的吸力的協(xié)同輸送作用引起。即使齒尖指向下方，棘輪齒和凹面也會增加拉普拉斯壓力，從而導(dǎo)致凹面中積聚的水在垂直方向自發(fā)地爬到骨膜表面，然后在拱形處溢流，形成薄水層，水輸送速度為7644±766μms-1，比仙人掌脊柱和蜘蛛絲的水輸送速度快200倍。在拱形通道形成“連通容器”后，提高集水效率。棘輪側(cè)的小液滴將聚集在弓形另一側(cè)的較大液滴，在棘輪、凹面和弧形曲率的綜合作用下驅(qū)使水從內(nèi)側(cè)運動到外側(cè)，并提高了運輸速度。
圖1 豬籠草結(jié)構(gòu)及集水機(jī)理圖
圖2 蠕動結(jié)構(gòu)上的水凝結(jié)和輸送過程
仿豬籠草結(jié)構(gòu)的集水器
作者通過3D打印方法構(gòu)造了一個人造的蠕動式集水器。研究表明，在95%霧中，集水器膜表面從干燥狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌睗駹顟B(tài)需要100秒，每個拱的平均集水速度為3.5×10-3g cm-2·s-1，輸水速度為4.6 mm s-1。100 s之后，覆蓋曲面的收集水充當(dāng)連接收集點和收集點的連通容器，加快了集水效率，在20 s的相同時間內(nèi)，通過濕通道收集了5.4×10-1g的水，平均集水量為6.8×10-2?g cm-2·s-1，幾乎比干燥表面快20倍。冷凝水可以在覆蓋水的表面上高速滑動。濕表面的最大水傳輸速度達(dá)到1.2×103?mm s-1，這比干表面的最大水傳輸速度大260倍。表明蠕動結(jié)構(gòu)表面是一種獨特的表面模型，可實現(xiàn)高效率集水輸水。同時，將這種蠕動結(jié)構(gòu)表面引入到PVA水凝膠和PDMS油凝膠時，可實現(xiàn)水汽和油相蒸氣的收集（收集有機(jī)蒸氣的速率分別為：異丙醇：4.2×10-3g cm-2·s-1；煤油：3.7×10-3g cm-2·s-1；汽油約為3.4×10-3g cm-2·s-1；乙二醇約為2.5×10-3g cm-2·s-1），比受蜘蛛絲，書脊和光滑的水罐表面啟發(fā)的人工收割機(jī)實現(xiàn)了更高的收割速度和運輸速度。
圖3.人造蠕動水收集器。
圖4 多功能液體收集器裝置。
小結(jié)：作者證明了豬籠草的蠕動結(jié)構(gòu)的水分收集機(jī)制，并利用基于多曲率的仿生結(jié)構(gòu)來收集水和油霧。這中結(jié)構(gòu)功能關(guān)系對設(shè)計新穎的材料和設(shè)備，以從霧中收集水并以高效率輸送冷凝水，提供了一種可行性策略。
全文鏈接：
https://www.pnas.org/content/early/2020/09/03/2011935117
