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，其分子骨架上豐富的羥基為霧收集提供了高效的親水域。然而，連續(xù)的親水域會導(dǎo)致表面成核液滴的釘扎以及凝聚水膜的界面屏蔽。
鑒于此，廣西大學(xué)研究團隊從仙人掌刺和甲殼蟲翅膀表面構(gòu)造中獲得靈感，發(fā)明了可從霧中收集水滴的纖維素新材料。通過選擇性調(diào)控纖維素表面自由能的極性分量和色散分量，實現(xiàn)了非連續(xù)的分子級親/疏水域。隨后將其涂敷在非對稱刺表面，簡單構(gòu)造了可以實現(xiàn)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(fā)的界面電荷作用被首次開發(fā)和利用，水收集效率高達93.18
kg/（m2·h）。
纖維素基非對稱兩親性表面的設(shè)計
縮刺仙人掌是極少數(shù)適合在極度干旱地區(qū)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(fā)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。此外，納布爾沙漠甲蟲同樣可以從稀薄的空氣中獲取水分。通過背部鞘翅表面的親水-疏水圖案。親水區(qū)捕捉水霧，液滴凝聚增大后轉(zhuǎn)移至疏水區(qū)，疏水區(qū)的低表面能使大液滴從鞘翅表面快速去除。受到這兩種生物精致結(jié)構(gòu)和巧妙機制的啟發(fā)，研究人員設(shè)計了一種雙重仿生水霧收集表面。
纖維素基非對稱兩親性材料的表征
通過親核取代接入疏水性的10-十一烯酰氯制得兩親性纖維素酯涂層。分別采用元素分析，固體13C核磁波譜儀、傅里葉紅外光譜儀、X射線電子能譜儀等對合成纖維素酯的物理化學(xué)性質(zhì)進行探究。
表面濕潤性和耐久性
表面的濕潤性對于液滴成核和去除具有重要作用，研究人員通過接觸角測量儀評估接觸角，接觸角滯后現(xiàn)象，表面自由能以及界面張力等。
靜電輔助水收集
幾乎所有已知的材料都具有接觸起電效應(yīng)，水滴與聚合物在接觸分離時同樣會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。該研究首次揭示了水收集表面與霧滴之間存在的靜電吸附現(xiàn)象，并將其用于輔助增強水收集。最終水收集效率高達93.18
kg/（m2·h），高于目前已知仿生甲蟲和仙人掌的霧收集器。
據(jù)悉，該項成果以題為“Bioinspired asymmetric amphiphilic surface for triboelectric enhanced efficient water harvesting”發(fā)表在《Nature Communications》上。
