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

來源：高分子科學前沿

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人口的增加，水資源缺乏問題日益明顯。如何高效地從自然環(huán)境中收集水受到越來越多的關(guān)注。自然界的許多動植物可以在干旱的環(huán)境下生存， 這是由于隨著長時間的進化它們已經(jīng)產(chǎn)生了高效地收集水的機制。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)計靈感，而引起人們廣泛的研究興趣。比如說戈壁甲蟲崎嶇不平的背部長著獨特的凸起結(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)點周圍不斷地凝結(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。這是因為仙人掌葉片上有規(guī)律排列的刺具有凝結(jié)和運輸水的功能。仙人掌的刺是具有一定的特殊角度，濕潤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充足的水的供應。而受到仙人掌刺的啟發(fā)，南加州大學Yong Chen教授課題組結(jié)合仙人掌刺的特性設(shè)計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使用，同時相比于其他材料可以在單位面積內(nèi)收集和運輸更多的水滴。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)計不同根數(shù)的刺結(jié)構(gòu)形成團簇，從而比單根的刺具有更高的收集水的效。進一步的，采用3D打印的方法易于設(shè)計不同的團簇排列結(jié)構(gòu)，并通過Comsol Multiphysics模擬的方法來研究其對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《先進材料界面》期刊，并被選為Front Cover （圖一）, 亞利桑那州立大學航空機械工程系助理教授Xiangjia Li為第一作者。 作者還包括圣地亞哥州立大學機械工程系助理教授 Yang Yang.

圖1. Advanced Materials Interface Front Cover

在這項工作中，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）。在加工過程中，光固化樹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)和運輸(圖二d)。通過改變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)仿生仙人掌刺當其夾角達到10度時可以在兼顧力學性能的情況下實現(xiàn)最快的水滴運輸。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)計和研究。通過仿真和實驗表明，濕潤的空氣圍繞3D打印的六邊形排布的仙人掌簇狀針型結(jié)構(gòu)陣列的流動性得到改善 （圖二c），進而相比于其他排列，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，和濕潤空氣流動性的仿真結(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一步設(shè)計可以未來用來實現(xiàn)無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用前景。該工作得到了自然科學基金（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