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聂双喜教授《自然•通讯》:可从雾中收集水滴的纤维素新材料

从大气中有效获取清洁水,为日益严重的全球水资源和能源短缺提供了一种潜在的可持续解决方案。气雾的水收集是一种典型方案,可实现快速的现场生产,其收集方式多启发于原始生物适应性进化以应对恶劣环境的生物学特征。


纤维素是地球上最古老、最丰富的天然高分子,是一种具有强吸湿性的可再生材料。其分子骨架β-D-吡喃葡萄糖环上丰富的羟基为雾收集提供了高效的亲水域。然而,连续的亲水域会导致表面成核液滴的钉扎,以及凝聚水膜的界面屏蔽。通过化学基团调控和结构设计,巧妙地利用多种仿生原理设计协同的液滴成核和去除机制,将实现纤维素材料在水收集领域的无限潜力。


近日,聂双喜教授(点击查看介绍)团队从仙人掌刺和甲壳虫翅膀表面构造中获得灵感,发明了可从雾中收集水滴的纤维素新材料。通过选择性调控纤维素表面自由能的极性分量和色散分量,实现了非连续的分子级亲/疏水域。随后将其涂敷在非对称刺表面,简单构造了可以实现液滴快速成核和去除的双重仿生表面。值得注意的是,雾滴与收集器之间自发的界面电荷作用被首次开发和利用,实现了前所未有的高水收集效率(93.18 kg/m2 h)。这项成果发表在Nature Communications 上,2021级博士生张松为第一作者,聂双喜教授为通讯作者。

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图1. 纤维素基非对称两亲性表面的设计。


仙人掌是极少数适合在极度干旱地区生长的植物之一,除了通过将叶子退化为针以避免水分的蒸发和流失,其针刺还具有主动收集雾,以提供外源水分补充的作用。其脊柱尖端及其表面的倒刺提供水雾附着和凝聚的位点,脊柱的径向非对称结构提供了拉普拉斯压,驱动表面液滴向根部运动。此外,沙漠甲虫同样可以从稀薄的空气中获取水分,其背部鞘翅表面具有亲水-疏水区域分布。亲水区捕捉水雾,液滴凝聚增大后转移至疏水区,疏水区的低表面能使大液滴从鞘翅表面快速去除。研究团队受到这两种生物精致结构和巧妙机制的启发,本文设计了一种纤维素基双重仿生水雾收集表面。

图2. 静电辅助水收集的性能。


几乎所有已知的材料都具有接触起电效应,水滴与聚合物在接触分离时同样会发生电荷转移。作者首次揭示了水收集表面与雾滴之间存在的静电吸附现象,并将其用于辅助增强水收集。最终获得了93.18 kg/m2 h的极高水收集效率,高于目前已知仿生甲壳虫和仙人掌的雾收集器。


结论


本文受甲虫翅鞘和仙人掌刺的启发设计了一种纤维素基非对称两亲性表面,结合自发的界面摩擦电吸附作用,实现了前所未有的水收集效率。高效的水收集效率主要源于两亲性纤维素酯涂层表面化学亲水组分(液滴成核位点)和疏水组分与非对称结构拉普拉斯压的协同作用。此外,作者系统地证明了液滴与水收集器表面之间自发的静电吸附及外加电荷增强的静电吸附作用。该系统不仅适用于多雾地区,还有望应用于热电厂、造纸厂冷却塔的蒸汽回收,同时也为缓解水-能源关系提供了一种通用的解决方案。


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原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

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., 202213, 4168, DOI: 10.1038/s41467-022-31987-w


导师介绍

聂双喜

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


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