Adv.Mater.Interfaces 封面文章：3D 打印制備仿生仙人掌結(jié)構(gòu)用于高效收集水

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增加，水資源缺乏問(wèn)題日益明顯。如何高效地從自然環(huán)境中收集水受到越來(lái)越多的關(guān)注。自然界的許多動(dòng)植物可以在干旱的環(huán)境下生存， 這是由于隨著長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)化它們已經(jīng)產(chǎn)生了高效地收集水的機(jī)制。這些生物體的結(jié)構(gòu)特性給我們提供了很多水收集設(shè)備的設(shè)計(jì)靈感，而引起人們廣泛的研究興趣。比如說(shuō)戈壁甲蟲(chóng)崎嶇不平的背部長(zhǎng)著獨(dú)特的凸起結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以方便快速地從稀薄而潮濕的空氣中凝結(jié)水滴。蜘蛛網(wǎng)借助特殊的周期性紡錘節(jié)產(chǎn)生表面能量梯度，使得水能夠在節(jié)點(diǎn)周?chē)�不斷地凝結(jié)。

眾所周知仙人掌可以在很炎熱干燥惡劣的環(huán)境下生存。這是因?yàn)橄扇苏迫~片上有規(guī)律排列的刺具有凝結(jié)和運(yùn)輸水的功能。仙人掌的刺是具有一定的特殊角度，濕潤(rùn)的空氣可以在刺的頂端處凝結(jié)成液滴， 并且順著刺的表面快速地流到仙人掌的葉面，從而保證了仙人掌生長(zhǎng)充足的水的供應(yīng)。而受到仙人掌刺的啟發(fā)，南加州大學(xué)Yong Chen教授課題組結(jié)合仙人掌刺的特性設(shè)計(jì)出一種高性能收集水的仿生材料。該材料不僅可以多次重復(fù)使用，同時(shí)相比于其他材料可以在單位面積內(nèi)收集和運(yùn)輸更多的水滴。傳統(tǒng)的仿生仙人掌結(jié)構(gòu)只能使用模板法制備單根的刺狀結(jié)構(gòu)用于收集水，而本方法采用3D打印，可以設(shè)計(jì)不同根數(shù)的刺結(jié)構(gòu)形成團(tuán)簇，從而比單根的刺具有更高的收集水的效。進(jìn)一步的，采用3D打印的方法易于設(shè)計(jì)不同的團(tuán)簇排列結(jié)構(gòu)，并通過(guò)Comsol Multiphysics模擬的方法來(lái)研究其對(duì)氣流的收集水效率的的影響。論文以3D-Printed Cactus-Inspired Spine Structures for Highly Efficient Water Collection 為題，發(fā)表在《先進(jìn)材料界面》期刊，并被選為Front Cover （圖一）, 亞利桑那州立大學(xué)航空機(jī)械工程系助理教授Xiangjia Li為第一作者。 作者還包括圣地亞哥州立大學(xué)機(jī)械工程系助理教授 Yang Yang.

圖1. Advanced Materials Interface Front Cover

在這項(xiàng)工作中，為了加工出傳統(tǒng)制造技術(shù)很難仿造的仙人掌上的一簇一簇的刺，該課題組采用‘沉浸表面累積三維打印工藝’（Immersed surface accumulation based 3D Printing），成功地制造出了仿生仙人掌葉片上簇狀的針型微結(jié)構(gòu)（圖二c）。在加工過(guò)程中，光固化樹(shù)脂被選擇性的曝光從而形成特定的仿生仙人掌簇狀的針型微結(jié)構(gòu) 。結(jié)果表明，3D打印的仙人掌刺微結(jié)構(gòu)有助于水滴的凝結(jié)和運(yùn)輸(圖二d)。通過(guò)改變3D打印的仙人掌刺微結(jié)構(gòu)的表面的疏水性能可以進(jìn)一步增加水滴凝結(jié)的速率。該研究發(fā)現(xiàn)仿生仙人掌刺當(dāng)其夾角達(dá)到10度時(shí)可以在兼顧力學(xué)性能的情況下實(shí)現(xiàn)最快的水滴運(yùn)輸。得益于該3D打印的制造能力，不同排布的仙人掌簇狀微結(jié)構(gòu)陣列被設(shè)計(jì)和研究。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)表明，濕潤(rùn)的空氣圍繞3D打印的六邊形排布的仙人掌簇狀針型結(jié)構(gòu)陣列的流動(dòng)性得到改善 （圖二c），進(jìn)而相比于其他排列，六邊形排布的仙人掌簇狀針型結(jié)構(gòu)陣列在收集水的效應(yīng)方面表現(xiàn)出了優(yōu)越性。六邊形排布的仙人掌簇狀針型結(jié)構(gòu)陣列水的收集效率可以達(dá)到 2毫克每立方毫米每分鐘。

圖2. （a）自然界中仙人掌的簇狀針型刺，（b）受仙人掌刺的啟發(fā)設(shè)計(jì)的六邊形排列的仿生仙人掌簇狀的針型微結(jié)構(gòu)陣列，和濕潤(rùn)空氣流動(dòng)性的仿真結(jié)果（c）沉浸表面累積三維打印仿生仙人掌的簇狀針型微結(jié)構(gòu)示意圖,(d)三維打印仿生仙人掌的簇狀針型微結(jié)構(gòu)的掃描式電子顯微鏡照片和三維打印仿生仙人掌的簇狀針型微結(jié)構(gòu)收集水的照片。

該研究提供了一種新的思路進(jìn)一步設(shè)計(jì)可以未來(lái)用來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)耗能高效率的水滴收集仿生材料，解決水資源短缺的困境。此外，考慮到3D打印方法的靈活性和有效性，仿生仙人掌微結(jié)構(gòu)可能在水滴收集，液滴傳輸，油水分離，工業(yè)熱交換器等有著廣泛的應(yīng)用前景。該工作得到了自然科學(xué)基金（NSF, Grant Nos. CMMI-1151191) 的支持。

論文信息與鏈接：Xiangjia Li, Yang Yang, Luyang Liu, Yiyu Chen, Ming Chu, Haofan Sun, Weitong Shan, and Yong Chen *. "3D‐Printed Cactus‐Inspired Spine Structures for Highly Efficient Water Collection." Advanced Materials Interfaces (2019): 1901752.

全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/admi.201901752