[摘要]淡水资源短缺，已经成为制约社会进步的一个重大发展问题。地球上，有巨量的水分分布在空气中，如果将之收集起来并加以利用，是解决水资源匮乏地区缺水问题的一个有效途径。当前，从空气中集取水分的传统方法面临着水滴生长慢、集水效率低等技术难题。与之相比，自然界中生物的高效集水方法值得人类借鉴。针对从空气中集水的需求和挑战，介绍了沙漠甲虫、仙人掌、蜘蛛丝等自然界常见的生物集水方法，综述了从空气中集水的仿生材料的研究进展，对当前空气取水技术的发展进行了概括与展望。
[关键词]仿生材料;空气取水;油水分离;仿生集水纤维
淡水资源是人类社会发展的重要自然资源。尽管地球上的水量巨大，但能直接被生产和生活利用的淡水却很少，仅占地球总水量的 0.26% 左右。淡水资源的可持续利用是所有自然资源可持续开发利用中最重要的一个问题。当前，全球淡水资源紧缺的态势正在逐渐显现[1-2]。
从空气中获取水分，为解决淡水匮乏问题提供了新思路。空气作为自然界水循环过程中水蒸气存在的一种介质[3]，携带着约 12.9×1012 t 的气态水完成自然循环。合理利用这部分水资源，将有可能解决未来人类的生活用水难题。采取一定方法收集空气中的水资源，即为空气取水技术。由于取水原料为含湿空气，因此该技术应用范围广泛，可以满足日常生活所需，尤其适用于水质差、水源匮乏或运输不便的地方，如沙漠、戈壁等干旱、半干旱地区以及高山、海岛、边防哨所等。除了传统的人工降水、制冷结露、吸附等空气取水方式，利用仿生材料聚雾取水的新方法成为近年来的研究热点[4-5]。
聚雾取水面临的主要挑战是如何控制水滴大小、形成速度及流向。特别是在炎热的干旱地区，从空气中收集的冷凝水的滴落速度必须比蒸发速度快，因此水滴的快速生长和传输至关重要。传统的聚雾取水一般采用巨幅尼龙屏障，吸附雾中的小液滴，并使之聚集长大，大水珠沿着倾斜的尼龙线流到集水器中[3]。新型仿生材料用于聚雾取水，可保证雾滴的吸附及长大过程顺利进行，并保证有效传输和提高取水效率。自然界中的生物是收集空气中水分的先驱者，特别是长期生活在干旱少水环境中的动植物，恶劣的环境促使它们进化出各具特色的生存本领，它们获取水蒸气的手段值得借鉴。
本文介绍了沙漠甲虫、仙人掌、蜘蛛丝等几种常见动植物所具有的特殊生物结构，以及生命体依靠相应结构进行空气取水的方法，综述了从空气中集水的仿生材料的研究进展，对当前空气取水技术的发展进行了概括与展望。
1 沙漠甲虫集水原理及仿生
生活于非洲南部纳米布沙漠中的一种沙漠甲虫 Stenocara，掌握了一种在干旱的沙漠中获取水的方法，这归功于它背部独特的结构及独特的沙漠气候。它的翅膀上随机分布着亲水性凸起，以及超疏水基底(如图 1a 所示)。Stenocara 集水时，背部朝向风向，湿空气中的水蒸气通过凝结作用，凝结于凸起部分，形成水滴，水滴逐渐增长，达到临界值后快速滑落至底部疏水凹槽，并沿着弓形后背滚落嘴中，如此往复凝水—生长—滑落过程，从而实现空气集水[6]。进一步的模拟研究结果表明，相比于完全疏水或完全亲水的光滑表面，在疏水基底上分布亲水小突起的表面具有更好的集水效果：在完全疏水的表面上形成的水滴较小，容易被风带走或掉落;而在完全亲水的表面上容易形成水膜，降低表面传热性能，阻碍后续水蒸气的凝结，导致集水困难。受沙漠甲虫的启发，Zhai 等[7]采用交替层状组装技术，以聚电解质/纳米粒子为原料，在超疏水基底表面构建了亲水点阵，仿制了图案化表面，实现了空气集水功能，复制了 Stenocara 的水收集表面，如图 1b 和 c 所示。
Thickett 等[10-12]利用去湿方法构建了具有类似结构的多种图案化聚合物薄膜，并对薄膜在空气中收集水蒸气的速率进行了研究。研究结果表明，相较于单纯的亲水或疏水表面，仿沙漠甲虫材料能够提高水蒸气在表面凝结成核的速率，有效提高集水效率，特别是在环境温度与材料表面温度差异较低的情况下。
除了构建上述浸润性质的二维图案化表面，将三维结构的制备与浸润性质相结合，有望构筑更接近沙漠甲虫背部结构的人工材料，进而实现功能仿生。Ozden 等[8]改进了碳纳米管的生长过程，构建了顶部/底部具有不同浸润性的多种各向异性碳纳米管阵列，并进行了集水测试。实验结果表明，水分子与亲水顶端接触后，受范德华力、氢键结合力等共同作用被拉进阵列内部，扩展到整个纳米管，随后水分子会吸取更多的水进来(如图 1d 所示)。特别值得注意的是，顶部亲水、底部疏水的碳纳米管森林能够吸收高达自身重量 80% 的水分并保持完好，而且可以通过挤压碳纳米管把水挤出来，实现材料的重复使用。进一步的测试结果表明，该阵列能够大幅减缓所吸收水分的蒸发。
Gao 等[13]设计了含有不同比例的亲水性黏胶纤维和疏水性聚丙烯纤维的织物，模拟沙漠甲虫背甲的亲水/超疏水杂化表面。当黏胶纤维和聚丙烯纤维的比例为 1∶1 时，织物具有最高的集水效率，高达 1 267.5 mg/(h·cm2 )。该方法采用简单的纺织设备即可实现，有望实现量产。
仿沙漠甲虫背甲材料不仅能够从空气中凝结水蒸气[14-15]，也可以用于收集油水乳液中的水分。 Zeng 等[9]构建了一种超疏水/超亲油的不锈钢丝网，上面分布有超亲水的 SiO2 微球，当油水乳液经过该表面时，水滴被亲水微球捕获、富集，难以穿过下层疏水丝网，而其他油性液体则不受通过阻力限制，从而实现油水分离(如图 1e 所示)。
2 仙人掌集水原理及仿生
仙人掌长期生长在干旱地带，进化而来的短刺状叶片可以帮助它减少水分的蒸发和流失，它的尖刺和肉状茎组成的独特系统也能够从空气中收集雾气或露水并加以利用。它所采用的集水方式和水分定向运输策略，有望为人工集水材料的设计提供思路。Ju 等[16]对一种常见的仙人掌品种——黄毛掌进行了研究，发现它的表面整齐排列着众多毛状体和密集分布于毛状体之上的尖刺簇。这些尖刺呈细长圆锥体状，根据微观结构的不同依次分为三个部分：顶端长有尖角和大量倒钩、中段由顶至底分布着由窄变宽的沟槽、底部是由带状结构构成的毛状体，这种非对称结构导致在尖刺表面存在着显著的表面自由能梯度和拉普拉斯压差梯度。当仙人掌处于潮湿的空气中，水蒸气首先在尖刺的尖端凝结形成微水滴，随后这些微水滴因表面自由能梯度和拉普拉斯压差梯度逐渐汇集，单向扩展、移动，形成大体积水滴，并克服重力等的影响定向移动至底部的毛状体，被植物快速吸收，如图 2 所示。
仙人掌这种凝结雾水并定向移动的集水方式启发了研究人员。他们利用程序化电化学腐蚀的方法，在圆锥状铜丝表面实现了类似仙人掌尖刺的梯度浸润性[17]。实验证实，这种铜丝能够实现水蒸气的凝结及定向输运。不仅如此，与单一浸润性的铜丝相比，具有梯度浸润性的铜丝表面，定向输送水珠的动力由单纯的拉普拉斯压差增加为拉普拉斯压差和梯度化学能的合力，导致动力更强、定向移动速度更快，具体表现为相比于单纯亲水铜丝具有更快的集水速率，相比于单纯疏水铜丝具有更快的输送速率。
单根锥状铜丝并不能满足日常集水的实际需求，Xu 等[18]设计了一套基于该原理的集水器件，如图 3a 所示。综合考虑拉普拉斯压差梯度、化学能梯度、重力等因素，考察了锥丝不同朝向角度对集水效率的影响，在特定条件下，该器件的集水效率可达 0.618 g/(h·cm2 )。Peng 等[19]则利用模板法制备了软质仿生圆锥阵列，并引入了磁性纳米粒子，得到的阵列在外部磁场下产生相应的摆动，可以在水滴的移动过程中为它提供额外的动力。因此，在无风条件下，相比于硬质阵列，软质阵列具有更为显著的集水效率。根据理论推算，以 1 m2 这种阵列作为雾水收集器，在 1.25 h 内即可收集满足一个成人一天的饮用水量。
类似的圆锥结构不仅能够进行空气集水[20-22]，还可以用于油水分离。Li 等[23]分别构建了一系列光滑铜针和粗糙铜针，对水中小油滴在铜针表面的富集、定向运动过程进行了观测。基于此项研究，他们将研究对象进行放大，制备了不同表面粗糙程度、不同排列方式的聚二甲基硅氧烷圆锥阵列，这些阵列均可以在水相中实现对油滴的捕捉、富集以及定向输运，分离效率大于 90%，部分试样的分离效率接近 99%，高效完成了油水分离过程，如图 3b 所示。
3 蜘蛛丝集水原理及仿生
自然界中的生物不仅可以通过自身特殊的身体结构获得空气取水的能力，有些生物甚至能够制造用于收集雾水的“工具”，蜘蛛就是其中的代表之一，它们的工具是蜘蛛网。Zheng 等[24]利用光学显微镜和电子显微镜对具筛器蜘蛛网进行了观察，发现了水蒸气在特定蜘蛛丝(捕获丝)表面大量凝结、富集的过程：在由两根纤维形成的“主干”上分布着许多由纳米级纤维构成的纺锤状微小凸起，空气中的水分由于过饱和作用，会无位置选择性地在蜘蛛丝表面凝结形成小液滴，小液滴的数量及尺寸逐步增加;当液滴尺寸达到一定程度后，发生定向移动，逐渐汇集在蜘蛛丝的纺锤状突起处形成大滴的露珠，在其他位置再次开始小液滴的形成、定向移动，实现循环。
进一步的研究结果表明，捕获丝由两根主体纤维和大量的微纤构成，其中绝大多数微纤无规纠缠，形成纺锤状凸起;少量微纤沿主体纤维径向平行分布，形成凸起间的节点。由于微纤的分布形态不同(凸起处无规，节点处平行)，因此在凸起和节点处捕获丝的表面浸润性有一定的差异，凸起处更为亲水，这就导致了沿蜘蛛丝径向有一定的表面化学能梯度，如图 4 所示。同时，由于形态的差异，在凸起处具有更大的曲率半径，也造成了一定的拉普拉斯压差梯度。上述两种梯度均指向凸起位置，有利于液滴由节点处向凸起处定向移动，形成汇集。
在研究捕获丝集水功能的同时，Hou 等[25]利用浸渍的方法复刻了类似的结构：将尼龙纤维浸入溶解有聚甲基丙烯酸甲酯的乙醇/N，N-二甲基甲酰胺预浸液中，取出纤维后，由于瑞利不稳定性，溶液层在纤维表面发生收缩，形成沿轴向分布的液滴;待溶剂挥发后，聚甲基丙烯酸甲酯随溶液液滴沉积，形成同样沿纤维轴向分布的凸起，得到类似蜘蛛捕获丝结构的功能纤维。实验结果表明，将这种新型材料置于雾气中，空气中的水分能在材料表面凝结成水珠，发生定向移动，加速水珠汇集，从而达到集水的功能。如果选用刺激响应性材料作为预浸液的溶质，得到的仿生纤维的水滴定向移动特性也将具有一定的刺激响应性。例如，以温度敏感材料聚 N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAM)作为溶质得到的集水纤维，在环境温度低于临界溶解温度时， PNIPAAM 表现为亲水性，小液滴在凸起处受到的拉普拉斯压差动力和接触角滞后动力的方向相同，可更加快速地向凸起中心最高点处汇集;当温度高于临界溶解温度时，PNIPAAM 的亲水性下降，表现为疏水性，此时小液滴在凸起处受到的拉普拉斯压差动力和接触角滞后动力的方向相反，定向移动的方向发生变化，向远离凸起的纤维主轴方向移动，且运动速度大幅降低，最终在纤维主轴上形成大液滴。同理，如果在 PNIPAAM 中引入具有紫外光刺激响应的偶氮苯基团，分子的亲疏水性质在紫外光的影响下发生转变，水滴的定向移动行为可以在紫外光的刺激下发生类似的变化[26]。他们将浸渍方法推广到不同的纤维基体材料和高分子溶液[27-30]，并加以改进、升级，发展了多次浸渍法[29]和连续浸渍法[30]，提高了效率并获得了类似的实验结果。仿蜘蛛丝集水纤维的制备方法见图 5 [25，30-32]。
静电纺丝技术作为一种新型的纤维制造工艺，同样能够用于制造这种特殊结构的纤维[31，33-34]。 Dong 等[31]提出了一种基于静电纺丝的方法，制备了具有周期性纺锤节结构的仿蜘蛛丝纤维。他们分别以聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯作为纺丝原液，利用静电纺丝工艺，采用同轴双喷头体系，将纺丝原液通入喷头，共同纺丝。通过分别调控两组喷头体系的喷丝速率、纺丝原液浓度等影响因素，得到类蜘蛛丝形态的周期性纺锤节纤维，这种纤维具有很好的集水效果。
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Kang 等[32]开发了包含多进样通路、微流控芯片和数字控制器的微流体系统，模拟了蜘蛛纺丝的过程。通过独立控制各个进样通路的进样种类、进样时间和进样数量等，能够控制最终所得纤维的组成，进而影响纤维的结构，获得仿蜘蛛丝纤维。 Tian 等[35]利用类似的方法，通过“气 - 液微流控” 设备制备了带有空腔纺锤结的仿蜘蛛丝纤维，降低了纤维的自重。采用这种纤维模拟真实蜘蛛网的结构，证实在雾气流量为 0.408 mL/min 的条件下，纤维总长 77 cm 的模拟蛛网可以在 2 min 收集 0.36 mL 水，等效为由 28.49 m 仿生纤维织成的面积为 0.079 m2 的蜘蛛网可以在 3 h 内收集维持一人一天生命体征的 1 L 水分。该技术有望用于水蒸气收集、组织工程、药物运输等[36]。
仿生蜘蛛丝的快速集水性能得到了科学界的认可，但如何快速低成本地工业化制备纤维是制约这类产品最终走向市场应用的瓶颈。为了解决这一难题，中国石化北京化工研究院[37-38]提出了在聚乙烯醇传统湿法纺丝过程中，引入特殊的微米级颗粒，在纺丝过程中原位获得纺锤状结构的方法，并通过在颗粒中引入微孔结构，降低了添加剂对纤维力学性能的影响，从而实现了仿生纤维的批量化生产。
4 其他生物集水及复合仿生器件
除了上述几种典型动植物外，其他一些生物也具有从空气中收集水分的本领，例如生活在新西兰的南光虫 Arachnocampa luminosa，它的钓鱼丝具有和蜘蛛捕获丝相似的结构[39]。火龙果叶片上的丛刺类似于锥刺结构，能够从快速流动的雾气中捕获水分[40]。Nørgaard 等[41]发现纳米布沙漠中的一种沙漠草 Stipagrostris sabulicola 同样具有集水能力，而且与甲虫 Onymacris unguicularis 相比，该植物的集水本领更强。Lee 等[42]以共混聚合物凝胶模拟黏质物、超疏水铜网模拟角质层，复刻了荷叶的茎干结构，该三维系统在适宜的条件下，1 m2 每天能够收集大约 50 L 水。
动植物的集水本领各有所长，科学家们集合各种特殊生物结构的优势，构建了不同的取水系统，提高空气取水的效率。 Park 等[43]结合沙漠甲虫背甲从空气中快速凝水、仙人掌锥形结构定向输运和猪笼草高润滑[44-45]这三种特性，构建了“非对称超润滑突起阵列”。他们观察了不同形状(包括圆凸形、矩形和平面等)点阵的凝水过程，证明圆凸形表面效果最佳;在此基础上，在圆形凸起上加入类似仙人掌的非对称结构，定向输送凝结的水滴，具体表现为当微水滴生长到一定程度时，这种特殊结构引导微水滴向凸起底部移动、逐步脱离，并在离去路径上汇集增长、加速脱落，从而加快重新集水过程的循环。他们还引入了前期开发的仿猪笼草光滑涂层，降低移动阻力，兼具自修复功能，得到结合三种生物优点的仿生非对称超润滑突起阵列表面(如图 6a 所示)，可在更短时间内收集和运输更多水量，工作效率比现有空气集水材料高 6 倍。
Gurera 等[46]基于 3D 打印技术，提出了一种结合沙漠甲虫、沙漠草和仙人掌锥刺三种生物特点的集水网面设计(如图 6b 所示)，有望推进仿生集水设备走向市场应用。Wang 等[47]集合水稻叶、仙人掌刺、猪笼草和蝴蝶翅膀的几种特性，设计了一款集水风车，能够满足在各种风力条件下收集水蒸气的需求。
5 结语
空气中的水蒸气资源丰富，如果能够有效捕获，将获得可观的淡水资源，有望缓解全球日益严峻的缺水问题。虽然这部分资源总量巨大，但由于单位密度较小、已有集水技术并不完善，空气取水的取水率不理想，开发新型集水材料的需求日趋强烈。自然界中众多生物的集水本领为人类开发新材料提供了多重启示：沙漠甲虫亲 / 疏水图案化的背甲能够从潮湿空气中快速凝结水蒸气;仙人掌尖刺非对称的锥形结构和蜘蛛捕获丝的纺锤状结构可以诱导水滴发生定向输送，加快水滴增长、加速水蒸气重新凝结，提高凝水效率。当前，研究人员复刻了多种特殊生物结构或器件，虽然能够达到收集水蒸气的目的，但该类技术和材料仍处于初级发展及攻关阶段，存在对环境要求较高、效率较低、规模化应用难等问题，导致整体推广受限。未来，该领域的研究应主要集中在以下几点：1)探索自然界中更多的集水生物，拓展研究和模拟领域，指导、推进仿生核心材料的开发;2)综合不同仿生材料的优势，协同发展、构建集成器件;3)优化产品设计、降低生产成本，最终完成从实验室走向市场的实际应用。——论文作者：姜 超，韩 朋，戚桂村，高达利，张晓红，乔金樑
参 考 文 献
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