PNSMI 综述
表面自由能和微观结构对水蒸气凝结机理的影响
全文导读
在不消耗能源的情况下在干旱地区获得高产饮用水仍然是一项全球性挑战。由于水蒸气无处不在，大气集水技术无疑是最有前途的候选技术之一。大气集水技术主要有五种，分别是使用网状集雾，使用亲疏水材料(非均质润湿性材料)、水，使用温度凝结水，使用吸湿性盐水和大气集水器。本文分析了典型的水凝聚过程(成核、自生长、聚结和滑动)。讨论了吸附质与水蒸气相互作用的机理。描述了无表面能和微观结构对水蒸气凝结的影响。最后，总结了研制高效、高水质、高循环稳定性大气集水器存在的主要问题，并对未来的发展趋势进行了展望。
冷凝过程的机理
典型的冷凝水过程包括成核、单液滴生长、液滴聚并和液滴滑动四个连续步骤，是多尺度时空条件下典型的热质量耦合物理过程。
1.液滴成核
成核过程作为凝结过程的开始，在凝结过程中起着关键作用。过饱和体系处于高能亚稳态，局部能量波动或热激活克服了新相的形成，打破了暂时的平衡。在系统的最新阶段和最古老阶段之间达到了微妙的平衡，从而产生了相变。
2. 液滴的生长和聚并
液滴生长包括表面上的直接蒸汽凝结和相邻液滴的聚并。在凝结过程中，成核是第一步。成核后，小液滴的生长主要是由于蒸汽的直接冷凝。大液滴发展的最大贡献，除了它们的生长之外，就是小液滴的合并。
3.液滴滑动
当液滴生长到一定的临界尺寸时，在一定的外力作用下，液滴会下落。滑动有两种方式。首先，液滴克服表面张力，在重力作用下滑落。其次，认为液滴在合并过程中比表面积减小，释放表面能，导致液滴动能增加，在合并瞬间弹回。
影响凝结的因素
影响冷凝的最大因素是过冷(水蒸气与冷凝板之间的温差)和相对湿度(RH)。尽可能提高过冷度，或者使其下降得更慢，是一个可行的解决方案；增加从冷凝基板上脱落的液滴数量有助于基板内的传热，从而减缓过冷失效的程度。因此，通过改变基材的润湿性并允许液滴快速滑落，可以刷新冷凝表面，从而允许另一个冷凝循环。
研究液滴在凝结基板上快速滑动的动力是必要的，表面自由能梯度和拉普拉斯压力梯度是液滴滑动的两个主要驱动因素。
1. 固体表面自由能是决定蒸汽在表面上凝结成液滴或薄膜的最重要参数。水蒸气的状态决定了表面的润湿性。接触角可用于测量润湿性。研究发现，更大的石墨烯晶粒尺寸(单位面积的石墨烯晶界更少)导致更高的液滴脱落频率。静态接触角(CA)随石墨烯平均晶粒面积的变化而变化，并成功量化了石墨烯晶粒尺寸对CA的影响。
2. 粗糙结构的存在可以在不改变表面能的情况下影响水滴的凝结效率。在平坦表面上，通过减少表面无能，接触角最多只能增加到119°左右。构建合适的表面微结构，如针状结构和具有双重或多重粗糙度的分层结构，是制造超疏水表面的关键。水滴形成后，可以快速滑动，刷新冷凝表面，使基材表面再进行一次冷凝循环。
自然界中无表面能量梯度驱动水滴定向运动的原型及仿生应用。图中液滴的驱动力由无表面能(水平基片)或无表面能和重力(倾斜基片)共同提供。玫瑰花瓣(图e-h)通过微米级乳突结构获得超疏水性，因此不会被雨水或露珠润湿。荷叶神奇的超疏水特性(图a-d)是由于其独特的微纳复合结构。纳米布沙漠甲虫(图i-l)能够在干旱的沙漠中生存，是依靠背部的非均匀润湿性模式，通过背部的亲水凸起区捕获并凝聚雾中的小液滴，然后通过光滑的疏水区域将液滴输送到嘴里。结合这一特点，仿生甲虫非均相润湿性模式材料已被应用于雾收集，其集水率高，是不同超疏水材料的3-5倍。
进展与总结
表面能是决定凝结模式的关键，低表面促进滴状冷凝(DWC)模式，高表面导致薄膜冷凝(FWC)模式。为了实现DWC模型，有两种主要方法来控制液滴的形成和去除:使用低表面能涂层和创建微纳米尺度的表面特征。
生物启发的表面特征与低表面能涂层的结合显示出更高的集水效率。其中，与单一仿生模型相比，多个仿生模型的集水效率要高得多，这可能为未来大气集水技术从实验室走向工业量产提供一种可行的技术解决方案。
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为了获得高效的集水系统，未来该领域的研究重点应从二维转向三维，从材料转向设备，从每天一个集水周期转向多个过程，从单一设计转向综合策略。引入新概念，制定一套材料/装置设计指南，并提出优化参数的评价指标，以合理设计吸附材料、传热传质、装置组成和系统运行策略。
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研究大气集水的目的不仅是为了高效地获取淡水，而且是为了将其应用于工业生产、交通运输和人类生活的各个方面。例如，在实际生活环境中，相对湿度过高或过低都会严重威胁人们的健康。当相对湿度过高时，在温暖潮湿的环境中容易滋生大量细菌，引起人体疾病。此外，相对湿度过低会引起人体皮肤干燥、龟裂、发痒等症状，电子设备容易产生静电，会引起粉尘甚至火灾。依靠环境温度和吸湿材料自身湿度的诱导，通过水蒸气吸附/解吸，可以自发调节空气中的湿度含量，这将是未来的研究热点
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疏水/超疏水表面在冷凝过程中表现出比未经改性的金属表面更好的换热性能，可以有效利用工业生产过程中产生的大量低品位废热和可再生的太阳辐射热，实现能量的循环利用。复合涂层结合了灭菌和湿度控制，有望保持湿度平衡，防止空调建筑、潜艇和太空飞行器中的微生物污染。此外，防水防冰玻璃、防雾汽车后视镜和工业冷凝器的传热以及防锈也离不开成核、自生长、聚结和滑动过程的研究。
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冷凝是相变过程中释放大量潜热的一种有效的能量传递方式。如何在收集被动大气水的同时收集潜热产生电能是今后研究的重点和难点。在制造液态水的同时实现负碳排放，对于缓解水危机、实现全球碳中和具有重要的科学意义和现实意义。
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https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2023.02.002
期刊简介
Progress in Natural Science: Materials International(PNSMI)由中国材料研究学会主办，是一本综合类英文SCI学术期刊，刊登材料科学领域的基础研究和应用基础研究方面的高水平、有创造性和重要意义的最新研究成果。
2022年最新影响因子4.7，分区为中科院材料科学二区。入选2019年中国科技期刊卓越行动计划，2022、2023连续两年获评中国最具国际影响力学术期刊。
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