隨著人口的增長和氣候變化的加劇，全球近12億的人口面臨經濟用水短缺。水資源短缺不僅出現在乾旱地區，而且也存在於巴西、秘魯、智利和南加州等濕度高但降雨量少的地區。囙此，開發高效、綠色化、大尺度的介面工程材料，以自發地從環境中汲取包括霧水、露水在內的清潔水資源成為了現代社會最緊迫的問題之一，也是實現可持續發展和低碳科技的關鍵技術之一。現時，應用於實際的霧水收集器主要依賴於網狀結構或絲狀結構。然而，由於空氣流動在結構附近的偏移，這些低慣性的小霧滴很容易繞開表面被風帶走（圖1a）。儘管通過調節表面結構與潤濕性可以促進單個小霧滴的定向輸運，以達到提升收集效率的目的，這些基於固/液介面效應的策略通常需要特徵結構小於霧滴尺寸。囙此，它們在面向工業應用時仍然存在加工成本高、機械效能脆弱、戶外耐候性差、無法大規模生產等局限。
為了解决這些問題，賓夕法尼亞大學材料科學與工程系的楊澍教授課題組利用宏觀剪紙超資料，產生整流的旋渦擾動，並通過渦旋對霧團整體行為的調控實現了高效、穩定的霧水收集。這種基於空氣動力調節的剪紙超資料打破了傳統集水器中集水效率對表面特性的依賴，當剪紙超結構的單元尺寸與空氣流動的宏觀尺度接近時（釐米級），即可產生高達16%的集水效率。與傳統方法相比可以將結構的特徵尺度提高2-3個數量級，極大地降低了對結構精密度的要求，也囙此具有更大的拓展性和更廣泛的應用前景。相關研究成果以題為“Aerodynamics-assisted，efficient and scalable kirigami fog collectors”發表在最新一期的《Nature Communications》上。本文一作是楊澍課題組的李京博士，主要合作者有賓夕法尼亞大學機械工程與應用系的Paulo E. Arratia教授課題組和吉林大學仿生工程實驗室的牛士超教授課題組。
圖一設計理念
如圖1b所示，本文將傳統的剪紙和折紙藝術進行合理的設計，通過引入切口和折痕，使原本的二維平面結構變為凹、凸面週期性交替的三維立方形可調諧結構。這種獨特的三維結構可以有效調節外部空氣的流動，當折疊角達到120o-150o時，在基底附近形成週期性擺動的亞穩態渦流擾動（圖2a）。渦流的形成改變了懸浮小霧滴的運動軌跡，使它們在渦心附近合併與生長，最終將大量大霧滴有效地甩向表面，從根源上解决了傳統霧水收集裝置中由空氣動力撓度而產生的霧滴攔截效率低下問題。最終，液滴生長速率可被提升至6.76×10-3 mm/s，是普通二維結構的3.53倍（圖2b-f）。
圖二基於空氣渦旋强化的高效霧滴捕獲
為了進一步提升水收集效率，作者在原始立方體剪紙結構的基礎上，沿對角線方向新增額外折皺，得到金字塔狀剪紙結構（圖3a）。這種結構將渦旋擾動產生的快速霧滴捕獲與非對稱形貌產生的定向輸運相結合，當液滴生長到足够大時，它會以類似雪崩的行為墜落，並從每個面的中心區域抓取大量液滴，沿著折痕從金字塔的底部尖端快速滴落（圖3b）。重要的是，非對稱金字塔剪紙結構的設計不僅大大縮短了水收集的開始時間，而且可產生高達20%左右的集水效率，是傳統微納米集水器的2-10倍（圖3c-e）。此外，金字塔剪紙資料的宏觀三維結構將霧滴的捕獲、輸運和滴落解耦到了不同的平面，自然地避免了霧水收集過程中常見的開口堵塞問題。
圖三金字塔剪紙結構上的霧水快速滴落與收集
剪紙水收集器同時具有廣泛的應用前景。由於本文中的基於空氣擾動的霧水收集機制是由宏觀折皺控制的，因而水收集效能不依賴於表面特性，對室外環境中的磨損和污垢具有很强的抵抗能力（圖4a）。同時，本文的戶外量測結果顯示（圖4b-d），在1m2的大尺度樣品上，集水效率仍然可以維持在16%以上。樣品尺寸可通過模組化設計進一步加大。此外，這種設計適用於包括塑膠、金屬箔、木材等在內的多種可切割廉價資料（平均造價僅為60元/m2），並可作為基底與其它資料結合。
圖四剪紙水收集器的穩定性與拓展性
總結：本文開發了釐米級三維剪紙超資料，通過產生渦旋流動，調節霧團的行為軌跡，大大提高了霧收集效率。重要的是，本文報導的空氣動力學輔助霧收集機制主要由宏觀幾何結構控制。囙此，它適用於各種資料，並可拓展至米尺度。
全文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-25764-4
本文版權歸原作者所有，文章內容不代表平臺觀點或立場。如有關於文章內容、版權或其他問題請與我方聯系，我方將在核實情况後對相關內容做删除或保留處理！聯繫郵箱：yzhao@koushare.com