Nature子刊：纤维素亲/疏水域调控实现高效水收集

纳米人

2022-07-27

研究背景

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。雾收集作为典型的大气水收集方案，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。

创新研究

近日，广西大学聂双喜教授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。这项成果以题为“Bioinspired asymmetric amphiphilic surface for triboelectric enhanced efficient water harvesting”发表在了《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，迟明超、莫济龙、刘涛、刘艳华、付秋、王金龙、罗斌、秦影参与研究。

图文导读

1. 纤维素基非对称两亲性表面的设计

水收集表面启发于仙人掌刺和尼布尔沙漠甲虫背部，涉及结构设计和表面化学调控。缩刺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。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，纳布尔沙漠甲虫（Namib Desert beetle）同样可以从稀薄的空气中获取水分。通过背部鞘翅表面的亲水-疏水图案。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。受到这两种生物精致结构和巧妙机制的启发，本文设计了一种双重仿生水雾收集表面。

图 1.纤维素基非对称两亲性表面的设计。

2. 纤维素基非对称两亲性表面的表征

纤维素的每个葡萄糖单元上有三个羟基，使其具有天然的吸湿性，同时也会导致水汽在其表面的钉扎。为了弱化这种不良影响，通过亲核取代接入疏水性的10-十一烯酰氯制得两亲性纤维素酯涂层。分别采用元素分析，固体¹³C核磁波谱仪、傅里叶红外光谱仪、X射线电子能谱仪等对合成纤维素酯的物理化学性质进行探究。

图 2. 纤维素基非对称两亲性表面的物理化学性质。

3.表面自由能和耐久性

表面的湿润性对于液滴成核和去除具有重要作用，通过接触角测量仪评估静态接触角、接触角滞后、表面自由能以及界面张力等。此外，对ACEC@FEP进行水滴滑落测试以及水中浸泡实验，评估了表面 的稳健性。

图 3. 表面湿润性和稳健性。

4. 静电辅助水收集

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。我们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。

图 4. 静电辅助水收集的性能。

结论

综上所述，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，我们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。