【封面文章】贵州大学梅益教授团队:仿生集水表面的研究进展及应用

科技   2024-12-05 17:00   重庆  
















































背景与意义

淡水资源紧缺是当今全球面临的严峻挑战,随着全球人口增长和气候变化的影响,人类面临着日益严重的水资源短缺问题。近年的研究结果显示,通过仿生手段从大气中获取水资源,是一种备受关注的可行方法,仿生集水技术应运而生。仿生集水技术具有广泛的应用潜力,在大气水收集、海水淡化、工业废水回收和微流控等多个领域具备较好的应用前景。贵州大学梅益教授团队综述了近年来仿生集水技术的发展现状、制备工艺、集水原理和应用前景,总结了基于新型生物学水收集原理的仿生材料/结构/表面处理方法和应用研究现状,分析了仿生集水技术当前面临的问题,包括非均匀润湿集水表面相关理论的深入研究、集水表面耐久性提高及高效低成本制备工艺的开发等,未来的研究方向可集中在提高仿生材料集水性能的可持续性和制备成本的降低等方面,以推动该技术的商业化推广和规模化应用。通过持续的研究和创新,有望看到更多高效、经济的仿生集水技术出现,为人类面临的水资源短缺挑战提供有效的解决方案。

关键词:仿生;集水;超疏水;超亲水;水资源;润湿性
图文导读

总结与展望

缓解淡水资源危机是当前全球共同面临的严峻挑战,通过仿生手段从大气中获取水资源,是缓解水资源紧缺危机的可行方法之一。本文总结了材料表面/结构的润湿理论模型、液滴运输及脱附模型,阐述了仿生表面/结构的凝结增强机制和集雾机制;分析了沙漠甲虫、仙人掌刺、蜘蛛丝和猪笼草的水收集原理,总结了仿生集水在大气水收集、海水淡化、工业水蒸气回收、微流控、油水分离等新领域的应用现状和存在的实际问题。

1)理论方面:非均匀润湿集水表面的凝露和脱附动态等相关理论需要深入研究,通过对理论模型的优化,加强对实验中表面设计的指导,温度、湿度、风速等环境参数对集水效率的影响需深入分析,新的集水理论模型和集水机制需进一步探索。

2)耐久性方面:仿生集水表面/结构需要具备一定的耐久性和耐候性,使其能够适应高温干旱等恶劣环境,对于推进仿生集水技术的应用具有重要意义。

3)制备工艺方面:当前的仿生集水技术研究主要处于实验室阶段,在未来的推进应用过程中,低成本、高效率、易于批量化生产制备的工艺技术需要进一步开发,新的集水理念和技术方法需要不断探索。

仿生集水结构的特性,因所仿生物之差异而各异。仿甲虫类集水结构侧重于非均匀混合润湿表面,借助超疏水-超亲水混合结构实现高效集水。仿仙人掌类集水结构主要关注锥刺尖端超强的捕雾能力与其拉普拉斯压力梯度对液滴的运输能力,但锥刺集水体积较小且缺乏有效的凝结核附着结构,将棘刺集水结构与其他仿生结构相结合,是未来发展的重要趋势。仿蛛丝纤维因其本身尺寸较小且难以进行复杂润湿处理而使其制备工艺受限,如何研发易于批量化制备的可行工艺,是其面临的主要难点。仿猪笼草表面作为具备较强液体定向运输能力和高效脱附性能的仿生结构,在实现液滴高效脱附的同时保证其耐久性是当前研究的重点。

随着仿生集水技术的不断创新和进步,仿生集水将得到更完善的研究,更多的集水生物及更广阔的应用领域将被发现。基础研究与实际应用之间的差距仍然存在,使仿生集水技术有望能成为解决水资源匮乏问题的可行途径。
文章信息

该文章发表在《表面技术》第53卷第20期。

引文格式:韦函, 梅益, 罗鸿, 等. 仿生集水表面的研究进展及应用[J]. 表面技术, 2024, 53(20): 19-35.

WEI Han, MEI Yi, LUO Hong, et al. Research Progress and Application on Bionic Water Harvesting Surfaces[J]. Surface Technology, 2024, 53(20): 19-35.

DOI:10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.20.002

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编辑 | 邓李旸

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审核|汪  潇

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