仿生水凝胶图案通过定向液滴转向增强大气水收集

空气中的水来源于自然蒸发和强制蒸发，冷凝是集水的最后也是关键的步骤。冷凝涉及水滴的成核、生长和脱落，然后收集水滴。

然而，由于驱动力不足，凝结液滴的不可控增长导致地表洪水是一个紧迫的挑战，对可持续凝结构成威胁。

清华大学曲九辉教授、季庆华博士和张伟博士领导的一项研究重点是通过探索大气集水来解决水资源短缺问题。该工作发表在《国家科学评论》杂志上。

为了加快这一过程并实现冷凝表面有序、快速的液滴脱落，该团队从大自然中汲取灵感。他们观察到，澳大利亚刺恶魔有效地将雨水、露水和池塘水等水滴从其鳞片传播到鳞片之间的毛细血管通道，最终连接到它的嘴。

这种自然机制使水更容易储存和消耗。此外，该团队还从鱼类(尤其是鲶鱼)中汲取灵感，它们具有表皮粘液层，可减少游泳阻力并增强对水环境的适应性。这些来自大自然的见解分别解决了有序液滴导航和低阻力液滴脱落的挑战。

研究小组利用水凝胶纤维在玻璃上创建工程图案，融合了蜥蜴和鲶鱼的优势特征。

水凝胶纤维是海藻酸钠和聚乙烯醇的互穿网络，具有部分聚合的表面和拱形结构。表面装饰有支链-OH和-COOH链，对水分子表现出很强的亲和力。

这种亲和力与拱形结构相结合，为液滴从冷凝基底移动到水凝胶纤维提供了足够的驱动力。同时，即使在液滴离开表面后，支链-OH和-COOH链也可以保留水分子，有助于形成润滑液滴滑动的前体水膜。

为了观察液滴运动，利用荧光分子作为探针。捕获的轨迹显示出令人印象深刻的迁移率，玻璃上形成的液滴迅速被泵送到水凝胶纤维，从而再生冷凝位点。

成功在于同时应用化学润湿梯度和水凝胶纤维和玻璃上的拉普拉斯压力差。泵浦效应导致作为驱动力源的液滴凝结表面系统的能量减少了40%以上。“这类似于蜥蜴体皮上的定向水分散，”曲教授指出。

研究人员还观察到水凝胶纤维表面上的水运动与玻璃上的水运动存在差异。在玻璃上，液滴作为一个内聚单元前进，并连续形成新的前进角度，导致在前进过程中荧光探针在液滴内完全混合。

相比之下，水凝胶纤维表面上的液滴滑动表现出分层行为。内层水与水凝胶表面结合，而外层则在不与水凝胶表面直接接触的情况下滑动。

“水凝胶表面上的悬挂链就像鲶鱼的粘液层一样，润滑液滴和冷凝表面之间的摩擦，”季博士解释道。

这种工程水凝胶纤维图案将冷凝率提高了85.9%，无需外部能量输入。并成功应用，使太阳能蒸发净水集水率提高109%。

这项研究不仅提供了对自然现象的见解，而且标志着操纵液滴运动以进行凝结的新颖尝试。这些发现为未来发现现象并将理论转化为实际应用奠定了基础。