西南科大：精密3D打印構(gòu)建仿生麥芒分級系統(tǒng)用于高效霧水收集

更新時(shí)間：2022-11-03

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霧水收集對解決水資源短缺具有重要的意義，如何提升霧水收集效率一直是研究熱點(diǎn)。高效的霧水收集需要同時(shí)滿足高效捕捉和快速傳輸兩個(gè)嚴(yán)苛的條件。受大自然啟發(fā)，制備合適的仿生系統(tǒng)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)嚴(yán)苛條件的有效方法。然而，目前制備的仿生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單一，精度較低，無法實(shí)現(xiàn)高效的霧水收集。

近日，西南科技大學(xué)李國強(qiáng)教授領(lǐng)導(dǎo)的仿生微納精密制造團(tuán)隊(duì)，受小麥麥芒啟發(fā)，利用PμSL3D打印技術(shù)（深圳摩方材料科技有限公司，nanoArch® S130）構(gòu)造了仿生麥芒分級系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高效的霧水收集。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的仿生麥芒霧水收集系統(tǒng)，表面分布有眾多微型刺狀取向收集器，擴(kuò)大了收集的有效面積，增強(qiáng)了霧滴捕捉效率，并突破傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)下滴狀傳輸?shù)南拗疲瑢?shí)現(xiàn)了高速的膜狀傳輸，極大地提高傳輸速度和收集效率。該系統(tǒng)的水霧收集效率可達(dá)5.9g/cm2·h，有望應(yīng)用于液滴傳輸、藥物運(yùn)輸、細(xì)胞牽引、海水淡化等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

圖1 自然麥芒結(jié)構(gòu)特征、霧水收集過程及仿生麥芒系統(tǒng)的制備過程。a.小麥麥芒捕捉潮濕空氣中的小水滴。b.麥芒逆重力超快霧滴輸運(yùn)過程。c-e. 自然麥芒的分級結(jié)構(gòu)SEM表征。f. PμSL 3D打印系統(tǒng)制備仿生麥芒分級系統(tǒng)的示意圖。

圖2 自然麥芒與仿生麥芒的結(jié)構(gòu)特征及演變規(guī)律。a-c.自然麥芒表面微刺、凹槽的結(jié)構(gòu)特征統(tǒng)計(jì)曲線圖。d-e.5種不同結(jié)構(gòu)形式仿生系統(tǒng)示意圖。f-g. 不同結(jié)構(gòu)形式仿生系統(tǒng)的表征。h.仿生麥芒隨微刺數(shù)目增加的結(jié)構(gòu)演變示意圖。

要點(diǎn)：小麥麥芒可從潮濕空氣中捕捉微小霧滴作為水分供給。這種高效的霧水收集能力主要是源于表面的錐形脊柱、梯度凹槽、方向性刺集成的分級微納系統(tǒng)。通過對結(jié)構(gòu)特征的分析，借助PμSL打印技術(shù)的高精度性、自由性對結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆解、重新整合，并根據(jù)結(jié)構(gòu)的演變過程優(yōu)化構(gòu)建模型，編程調(diào)控制備了不同結(jié)構(gòu)形式的仿生系統(tǒng)，包括仿生脊柱系統(tǒng)（A-spine）、仿生凹槽系統(tǒng)(A-grooves)、仿生麥芒系統(tǒng)體系(A-awn-2、A-awn-3、A-awn-4）。

圖3 不同結(jié)構(gòu)形式仿生麥芒的霧水收集過程。a-e. 仿生脊柱（Ⅰ）、仿生凹槽（Ⅱ）、仿生麥芒體系（Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）在水霧環(huán)境下逆重力的霧滴捕捉輸運(yùn)過程。

圖4 仿生麥芒的水霧收集作用機(jī)理。a-c. 仿生脊柱（Ⅰ）、仿生凹槽（Ⅱ）、仿生麥芒體系（Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）逆重力下的霧滴運(yùn)輸距離、速度、體積的統(tǒng)計(jì)曲線圖。d-f. 仿生脊柱、仿生凹槽、仿生麥芒體系的霧水收集機(jī)理分析。

要點(diǎn)：通過在水霧環(huán)境下觀察，在仿生脊柱與仿生凹槽結(jié)構(gòu)表面，霧滴以大液滴的形式進(jìn)行定向地輸運(yùn)——滴狀傳輸。但在仿生麥芒系統(tǒng)體系表面，無明顯大液滴出現(xiàn)，相反霧滴是以一層薄水膜進(jìn)行定向輸運(yùn)——膜狀傳輸。液體傳輸模式的轉(zhuǎn)變主要是受表面微結(jié)構(gòu)所影響。脊柱與凹槽單級仿生結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)對霧滴快速高效的捕捉，無法在表面形成連續(xù)穩(wěn)定的液體薄膜，所捕捉液滴易受周圍液滴的吸引合并成大液滴進(jìn)行傳輸。當(dāng)其體積增大到某數(shù)值時(shí)，結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的拉布拉斯力無法繼續(xù)驅(qū)動液滴運(yùn)動，最終釘扎在表面。而仿生麥芒分級系統(tǒng)體系，由于表面附加了眾多的微型刺狀取向收集器，增強(qiáng)了霧滴捕捉能力，實(shí)現(xiàn)快速的潤濕過程，在表面形成連續(xù)穩(wěn)定的液體薄膜。且與表面其他微滴合并凝結(jié)相比，微滴在水膜表面滑動的所需時(shí)間更短，因此更傾向于沿水膜表面運(yùn)動，使得傳輸速度和收集效率得到顯著的提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，膜狀傳輸?shù)乃俣纫鹊螤顐鬏敻?0倍，可實(shí)現(xiàn)3.5 mm/s的傳輸速度和 5.9 g /cm²·h的收集效率。

該工作以 “Programmable 3D printed wheatawn-like system for high-performance fogdropcollection" 為題發(fā)表在國際著名期刊《Chemical Engineering Journal》上。該項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金委、四川省科技廳等基金項(xiàng)目的支持。