on style="text-indent: 0pt; white-space: normal; margin: 0pt 8px; text-align: justify; font-size: 10.5pt; font-family: 等线; line-height: 1.75em;">第一作者：程雅琦博士通讯作者：王钻开教授（讲席），马学虎教授，周晓峰副教授 通讯单位：大连理工大学，香港城市大学，华东师范大学 论文DOI：10.1021/acs.nanolett.1c019282021年6月26日，香港城市大学王钻开教授、大连理工大学马学虎教授、华东师范大学周晓峰副教授等人在Nano Letters上发表题为“Rapid and Persistent Suction Condensation on Hydrophilic Surfaces for High-Efficiency Water Collection”的研究工作。文章通过模仿苔藓紫罗兰特殊的细胞结构和集水功能，设计制备了具有梯级湿润性的仿生表面，通过持续、快速的冷凝水定向抽吸，在亲水表面上实现了高效的滴状冷凝集水。近年来，世界范围内的水资源短缺正成为人类社会发展的严重威胁，尤其是干旱地区，缺乏饮用水加剧了疾病和贫困。从大气中集水为这些地区的清洁水获取提供了一个可靠的解决方案。其中，湿空气冷凝是一种由温差驱动的潮湿空气中的水分冷凝到表面的过程，冷凝无处不在，且其对气候和地理限制的依赖程度最低，因此湿空气冷凝集水是一种可靠且有前景的集水方法。然而，冷凝涉及核化、液滴生长和输运等过程，具有多时间尺度和空间尺度的特征，不同的冷凝阶段对表面特性提出了相互矛盾的要求，设计和开发能够同时实现高成核密度、快速表面更新和小液滴移除尺寸的冷凝表面具有重要意义，但也具有极大的挑战性。本工作向自然界汲取灵感，通过模仿苔藓紫罗兰Rhacocarpus purpurascens （Rhacocarpaceae）特殊的细胞结构和集水功能，设计并制备了具有梯级湿润性的仿苔藓紫罗兰多孔表面（Rhacocarpus-inspired porous surface，简称RIPS），通过持续、快速的冷凝水定向抽吸，实现了在亲水表面上实现了高效的滴状冷凝。基于RIPS在液滴核化能力增强、冷凝表面的更新频率加快、液滴脱离尺寸减小等多方面的协同作用，冷凝集水效率相比疏水表面提高了约160%。文中阐明了RIPS所涉及的纳米沟槽、微孔和表面润湿性对冷凝水定向抽吸性能影响的物理机制，并给出了表面性质对抽吸性能影响的相图。本工作为应用于集水和相变传热等领域功能材料的开发提供了新的见解和设计途径。苔藓紫罗兰通常生长在中非和东非阳光充足的岩石上，该地区降雨较少，因此苔藓紫罗兰维持生命所需的水主要来源于雾气和露水。白天，当岩石暴露在阳光下时，苔藓紫罗兰失水变干；当傍晚来临环境温度降低时，苔藓紫罗兰通过吸收其表面上的露水重新变湿润。苔藓紫罗兰维持其生存的特有吸水特性与其细胞壁结构有关。当潮湿空气在苔藓紫罗兰的亲水叶片表面冷凝后，细胞壁的两个夹层，即微米孔状结构和纳米层状结构可以产生毛细力梯度，从而驱动冷凝水由外而内的定向输运，最后供给细胞内的原生质体，以维持细胞对水的基本需求。仿照苔藓紫罗兰的细胞壁结构和功能，通过表面能和粗糙度的局部调控构造梯级润湿性，可实现冷凝水的持续、定向抽吸。此外，利用孔结构的空间限制效应，可防止亲水表面冷凝水成膜，以实现滴状冷凝，并通过结构参数对液滴的脱落尺寸进行有效调控，加速冷凝表面更新。图1. 苔藓紫罗兰及其细胞结构形貌和RIPS定向抽吸工作原理。a. 生长于岩石表面的垫状苔藓紫罗兰。b. 重新吸水后变湿的苔藓紫罗兰叶片。c. 苔藓紫罗兰细胞结构的透射电镜图片。d. 仿生材料RIPS的抽吸冷凝工作原理示意图。我们对所制备的RIPS进行了表征。样品上下表面光滑，具有规则排布的微米圆形通孔阵列，圆孔半径R为25 μm，孔间距S为75 μm，通孔侧壁均匀地排布着沿轴向的纳米沟槽。RIPS正面和反面的接触角分别为81°和46°，根据孔侧壁的粗糙度和Wenzel方程可知通孔内壁接触角约为66°，表明RIPS为亲水表面，并具有由正面-孔侧壁-反面的梯级润湿性。冷凝实验宏观可视化结果表明，RIPS正面没有肉眼可见的液滴，而反面出现了冷凝水的聚集。微观可视化实验结果表明，RIPS正面的液滴不断抽吸进入通孔内，正面维持稳定的滴状冷凝状态，而底部在初始冷凝过程中出现冷凝水聚集，并迅速形成液膜。宏观和微观可视化结果共同表明，凝液可从RIPS的正面定向、持续的抽吸到反面，从而实现RIPS正面稳定的滴状冷凝。图2. RIPS的结构、润湿性和冷凝特性。a. RIPS的微米尺度通孔结构。b. RIPS孔内侧壁的纳米尺度沟槽结构。c. RIPS正面和反面接触角。d. RIPS宏观冷凝特性。e. RIPS正面微观冷凝特性。f. RIPS反面微观冷凝特性。为了明晰RIPS正面冷凝液滴的有序空间排布和实现持续抽吸的物理机制，研究了RIPS冷凝过程中由核化、液滴生长至液滴移除的一个完整生命周期，并对液滴生长动力学进行了探究。RIPS上冷凝液滴的合并生长可以分为两个阶段。第一阶段为液滴的各向同性合并（200 ~ 1300 ms），液滴半径与时间的关系符合R~t 1.07。第一阶段为冷凝初期液滴之间的随机合并过程，此时表面上的冷凝液滴数密度较高、液滴尺寸相近，液滴之间的相互作用占主导，而不受固体壁面结构的影响。第二阶段为液滴的各向异性合并（1300 ~3000 ms），液滴半径与时间的关系符合R~t 0.36。第二阶段为四孔阵列中心的大液滴初步形成后，其与周围小液滴之间的合并过程。此时表面的冷凝液滴数密度较低，且大液滴与其周围小液滴之间尺寸相差悬殊，液滴的合并主要受到固体壁面结构的影响，而大小液滴之间的相互作用可忽略，当液滴三相线与通孔边缘接触时，液滴快速抽吸至孔内，完成移除。第二阶段的出现表明通孔阵列对冷凝液滴生长的空间限制效应。当液滴三相线与通孔边缘接触时，孔侧壁的纳米沟槽结构开始发挥作用。沟槽结构和平表面上水的铺展过程对比表明，水在平面上不易铺展，而在沟槽结构上可形成前驱膜，并自发沿着沟槽快速向前铺展，表明通孔侧壁上的纳米沟槽可有效地引导冷凝水从RIPS正面向反面定向输运。图3 RIPS通孔阵列结构和通孔侧壁沟槽结构的作用机制。a. RIPS正面的一个液滴生长周期。b. RIPS正面冷凝液滴生长的动力学特性。c. 通孔侧壁沟槽结构的作用原理。孔间距对凝液抽吸也具有重要影响。当孔间距增大时，通孔阵列对冷凝液滴的空间限制效应减弱，液滴发生形变并与周围液滴跨孔合并，造成孔内形成气塞，液滴抽吸失效。从理论和实验两方面进行了验证。首先对液滴跨孔合并与沿沟槽铺展过程进行了时间尺度分析，结果表明液滴跨孔合并时间远大于液滴沿沟槽铺展，因此液滴的跨孔合并将导致孔被覆盖，孔内气体来不及排出，出现气塞，进而造成液滴抽吸失效。另外，对孔内气塞的存在进行了冷凝-反蒸发的实验验证，蒸发过程中液膜两次破裂，证明了气塞的存在。明晰了表面性能参数对液滴抽吸影响机制后，绘制了凝液抽吸效果与表面性能参数定量关系的相图，为抽吸冷凝的有效调控提供了依据。图4. RIPS表面特性对冷凝水抽吸的影响。a. 孔间距S为150 μm的RIPS正面冷凝特性。b. 不同孔间距RIPS正面的液滴跨孔合并与沿沟槽铺展时间尺度分析。c. RIPS设计的关键参数与凝液抽吸性能的相图。为了衡量液滴动态对冷凝集水速率的影响，对具有不同表面结构参数的RIPS的冷凝特征参数进行了定量表征。结果表明，亲水RIPS的成核能垒相对于目前广泛应用于冷凝传热强化的超疏水表面降低了约63%，表明RIPS的成核性能得到了极大的提升；此外，冷凝液滴抽吸时间为毫秒级别，且随着S/R的减小而急剧减小；液滴脱落频率随着 S/R 的减小而增加，尤其是对于孔间距为75 μm的RIPS，液滴脱落频率为0.44 Hz，与疏水表面相比提升了约10倍，表明表面更新能力显著增强；此外，冷凝液滴的最大脱落半径也随着 S/R 的减小而减小，对于孔间距为75 μm的RIPS，液滴的最大脱落半径低至25 μm，甚至小于最先进超疏水表面的最大液滴脱落半径。RIPS冷凝水累积量与时间呈完美的线性关系，表明冷凝过程中抽吸性能稳定。冷凝液滴动态特性的提升，包括低成核能垒、快速的液滴抽吸、频繁的表面更新和严格可控的液滴脱落半径，使RIPS的集水速率相对于疏水表面最大提高了约160%。图5. 具有不同结构参数的RIPS冷凝性能特征参数。a. 理论核化能垒。b. 冷凝液滴抽吸时间。c. 表面更新频率。d. 冷凝液滴最大脱落半径。e. 冷凝集水量随时间的变化。f. 冷凝集水速率。本文报道了一种新颖的仿生表面，能够实现快速、定向和持续的抽吸式冷凝，为实现高效的露水收集提供了一个有效途径。该设计的关键在于构建从正面-通孔侧壁-反面的梯级润湿性为凝液定向输运提供驱动力。RIPS上2.8×10-18 J的低成核势垒、0.44 Hz的高液滴移除频率和25 μm的最大液滴脱落半径多方面的协同作用，使其冷凝集水能力相对于疏水表面提高了约160%。此外，阐明了纳米沟槽、微米孔和表面润湿性对抽吸式冷凝的影响机制，并给出了表面特性与抽吸性能的相关相图。研究结果为多孔材料内部的传质机制提供了新的见解，对应用于海水淡化、冷凝传热和膜蒸馏等领域的工程功能表面设计具有重要的指导意义。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c01928该工作同时入选Nano Letters期刊的Supplementary Cover和美国化学学会（ACS）的ACS Editors' Choice窗口推荐论文。ACS Editors' Choice是美国化学学会推出的一项扩大刊物影响力的举措，该项目每天从所有ACS开办的同行评议期刊中推选一篇具有重大科学意义的优秀论文作为当天的主题文章，置于ACS主页内的“ACS Editors' Choice”窗口，推荐选定的论文必须代表每个杂志所有论文的最高水平。入选的文章由美国化学会支持成为即时永久开放获取（Open Access）的论文，且无需论文作者付费。
