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仿生材料集水研究结构仿生与性能创新

来源:杰呈3D打印 发布时间:2025-11-11 11:05:06 浏览次数:0
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仿生材料在集水领域的研究进展

Feng等人利用偶氮基聚合物制备了一种光控渗入的蜘蛛丝结构。在紫外光照射下,在可见光和可见光照射下,材料可以在亲水性和疏水性之间自由切换。在疏水纺锤表面,凝聚液滴聚集在纺锤细端;而在亲水表面,凝聚液滴聚集在纺锤中部较厚的位置。这表明表面润湿性对蜘蛛丝结构的集水特性有积极的影响。蜘蛛丝的结构对吸水有非常重要的作用,它可以改变主轴接头的表面粗糙度或化学成分,或在主轴接头上引入智能响应分子。

Zheng等人将含有PNIPAAm链段的热响应性聚合物分子引入纺锤结,以及含有偶氮苯链段的光响应性聚合物分子,能够精确控制仿生蜘蛛丝纤维上小液滴的运动方向。这些研究丰富了仿生捕集雾气界面材料的研究,并展示特殊界面材料在高效雾水收集方面的优势。

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纳米布沙漠甲虫的集水机制

纳米布(Namib)沙漠形成于8000万年前,现在位于非洲最大的纳米布 - 诺克卢夫特公园。这里的年降雨量不到13毫米,迫使当地动植物发展出特殊的生理生态和行为。而在夜间的大部分时间里,从海上来的雾会带来一些水,这是草、蛇、蜘蛛、甲虫和蜥蜴在沙漠中生存所必需的水分。经过几千年的进化,许多动物都能很好地适应干旱的环境。

作为一种闪闪发光的生物,纳米布沙漠甲虫以其出色的集水能力而闻名。2001年,Park教授和其他人发现,纳米比亚沙漠甲虫可以通过背部的亲水和疏水交替模式收捕集雾气(1 - 9a)。研究人员观察到,甲虫背部有许多不规则排列的突起,突起之间的距离为0.5μm - 1.5μm,突起表面光滑,具有一定的亲水性;突起间隙的侧坡和凹陷由疏水蜡质材料组成,呈规则的六角形半球结构,疏水蜡质的直径约为10μm。

雾中的小液滴在接触亲水部分的突起后被吸附,接触疏水区域的小液滴也会被部分吹到或反弹到亲水性区域,使亲水性区域的小液滴迅速长大。最后,水滴覆盖了甲虫背部凹凸处的整个亲水性区域,水分从非亲水性部分的底部输送到甲虫的嘴里,以满足其用水需求。

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亲水 - 疏水图案化表面的构建与应用

受纳米布沙漠中的斯滕卡拉甲虫的启发,人们建造了大量亲水 - 疏水的图案化表面。通常,在这种图案化的可湿润表面上,至少有两部分具有不同的润湿性(亲水性和疏水性),通过简单地将具有不同润湿性的材料压在一起来制作具有适合于捕集雾气的图案尺寸的复合表面。

基于这一新策略,集水材料需要满足以下两个重要要求:一种材料必须是柔性的,另一种材料必须具有适当的孔径,以便通过简单的处理将其结合在一起形成复合表面,以及这两种材料具有不同的润湿能力或可以进行润湿性改性。

Wang等人使用了一种简单、易操作、低成本的方法来合成具有高效雾水收集功能的亲水 - 超疏水混合表面。具体步骤如下:

  1. 制备了不同目数的铜网,并对其进行了清洗。
  2. 将预洗后的纱布在400°C烘箱中焙烧3 h,形成表面氧化铜纳米结构。
  3. 随后,将纱布浸泡在1.0%v/v 1H,1H,2H,2H - 全氟癸硫醇(PFDT)乙醇溶液中20分钟,以将表面润湿性从亲水性转变为疏水性。
  4. 在相同尺寸的聚苯乙烯(PS)薄片上沉积一块2.5 cm×2.5 cm的超疏水铜网,施加固定压力使两种材料粘结在一起。同时将复合材料转移到一起,在不同温度的烘箱中加热3 h,通过简单的实验室烘箱热压工艺将改性纱布结合到亲水PS平板的表面上,这是该方法的精髓。
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温度响应型集水材料

Xin等人报道了一种多功能的简单的海绵状棉织物,它可以自动从潮湿的大气中收集和释放水分,这是由典型沙漠昼夜范围内的温度变化引发的。用聚N - 异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)通过“接枝”的方法对棉织物的亲水性表面进行改性。

人们普遍认为,温度敏感的PNIPAAm在特定温度32°C下经历了从盘绕到球状的转变(分别从亲水到疏水),这被称为较低的临界溶液温度(LCST)。由于温度敏感型聚合物与织物表面的高度粗糙相结合,使得织物的超疏水性和超亲水性两种极端的润湿状态发生了转换,这种润湿状态可以在多次循环中重复和可逆。通过调节LCST以下的温度,可以从雾或潮湿的大气中捕获水。


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