image: 在玻璃上印刷的水凝胶纤维被欠交联支链覆盖，对水分子有很高的亲和力。它们的作用类似于蜥蜴外皮上的亲水毛细孔道，用于收集水滴。其表面可以形成一层水化层，模仿鲶鱼皮肤上的粘液，使水滴运动更加平滑迅速。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
近日，《国家科学评论》在线发表了清华大学曲久辉教授、吉庆华研究员和张唯博士的研究成果。该团队旨在通过加快从空气中集水来缓解水资源短缺。空气中的水主要来自自然和强制蒸发等多个过程，冷凝是收集这些水的最后也是最关键步骤。冷凝包括液滴的成核、生长和脱落阶段，最终实现收集。然而，如果冷凝水滴不能定向移动并脱落，会导致冷凝表面被水膜覆盖，冷凝位点失活。如何再生这些冷凝位点对实现可持续冷凝至关重要。
为了加速液滴从冷凝表面有序而快速地脱落，研究团队汲取了自然界的灵感。他们观察到澳大利亚的魔蜥能够高效地将液滴（如雨水、露水和池塘水）从其鳞片分散到鳞片之间的毛细通道，最终到达口腔。这种自然机制使水更易于储存和饮用。此外，研究团队还从鲶鱼汲取灵感，其表皮粘液层能减小游泳阻力，增强其在水环境中的适应性。这些来自自然界的启示分别为提高液滴定向运动的有序性和低阻性提供了良好借鉴。
研究团队采用凝胶纤维在玻璃表面构建了一种工程图案以融合蜥蜴和鲶鱼的特征。水凝胶纤维是一种由海藻酸钠和聚乙烯醇相互渗透形成的网络，具有拱形结构，且表面覆盖有欠交联的支链。这些支链上的–OH和–COOH表现出对水分子的强亲和力。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足够的推动力。同时，这层欠交联的支链在液滴离开表面后仍能在分子链之间保留水分子，助力形成前驱液膜作为润滑层降低液滴的滑动阻力。
该研究通过使用荧光分子作为探针，原位观测了液滴的运动。通过激光共聚焦显微镜（LCM），捕捉到了液滴的运动轨迹及其迁移速度：在玻璃表面形成的冷凝液滴可以被泵送到水凝胶纤维表面，并迅速离开玻璃表面，再生冷凝位点。这种定向泵送效应得益于水凝胶纤维与玻璃之间的化学浸润梯度和拉普拉斯压力差的同时作用。泵送效应可以使水-冷凝表面系统的总能量降低超过40%，这也揭示了泵送效应的热力学基础。
此外，水在水凝胶纤维表面与在玻璃表面的运动存在区别。在玻璃表面，液滴以一个整体单元前进，不断形成新的三相界面，导致在前进过程中荧光探针在液滴内完全混合。相比之下，在水凝胶纤维表面，液滴的滑动呈现出明显的分层特征。内层的水与水凝胶表面形成了强氢键（比体相溶液强249%），使外层水得以在不直接接触水凝胶表面的情况下滑动。因此，水凝胶表面上的欠交联支链起到了鲶鱼粘液层的润滑作用，可降低液滴与冷凝表面的拖拽力。
这一水凝胶纤维图案使界面冷凝速率增加了85.9%，且无需外部能源输入。此外，通过应用该图案，将太阳光热蒸发净水装置的水收集速率提高了109%。这一研究是操控液滴促进冷凝的一次新尝试，为未来研究自然现象并将理论转化为实际应用提供了方法和路径借鉴。
Journal
National Science Review