科技 || “金字塔式剪紙”集水器問世，有望解決12億人喝水難

隨著全球經濟的飛速發展和人口規模的快速增長，加之人類對現有水資源污染及非合理開采和利用，可飲用水資源缺乏已成為當今世界面臨的嚴峻挑戰。

圖｜干枯的淡水湖（來源：pixabay）

相比資源型缺水問題而言，水質性缺水更為嚴峻。目前，人們普遍采用海水淡化、地下水采集和南水北調等方法解決缺水的問題，然而這并非最佳手段。

為了解決全球性缺水危機，有部分科學家想到一種高效可擴展的的淡水制備辦法，通過發明特殊結構及性能的設備，從 “霧” 等環境中收集或提取淡水。雖然該方法距大規模應用還比較遙遠，但其解決問題的思路值得借鑒。

圖｜傳統霧收集網狀結構原理圖（來源：nature communications）

近日，賓夕法尼亞大學的科學家制備出 “金字塔式剪紙” 集水器。與傳統的納米集水器相比，積水效率高達 20%，其積水效率最高提升了 20 倍，有望解決約 12 億人口飲水資源短缺問題。

9 月 16 日，相關論文以《空氣動力學輔助、高效且可擴展的剪紙霧收集器》（aerodynamics-assisted, efficient and scalable kirigami fog collectors）為題發表在 nature communications 上。

圖｜相關論文（來源：nature communications）

由賓夕法尼亞大學材料科學與工程系博士研究生李京（jing li）擔任第一作者、教授楊澍（shuyang）擔任通訊作者，吉林大學仿生工程實驗室教授牛士超課題組為該研究合作者。

圖｜楊澍（來源：賓夕法尼亞大學官網）

該研究成果充分考慮了當今世界在人口增長及環境污染等多方面難題，以環保、高效為設計理念，嘗試開發出一種可以從大自然中主動汲取霧氣、露水等清潔水資源，以解決人類淡水資源緊缺。

經過不斷地推理論證及大量的實驗求證，該團隊發現，傳統的集水器表面周圍的風速存在粘性阻力，會使集水器的集水效率變低。而他們所制備的集水器呈金字塔式的剪紙結構，不僅可以控制風的流速，還能形成穩定的反向旋轉渦流，在彎曲的基板前創造了額外的停滯區域。

在這些停滯區域，可以吸引入外面生成的霧滴，對基板附近水滴的運動軌跡也有影響。此外，集水器渦流在 150° 和 120° 的褶皺周圍能以 6 hz 和 4.5 hz 的頻率來回飄動，由于液滴慣性渦流內積聚的液滴可以沉積到基板上。

集水器的這種渦流調節功能，使進入設備的霧團形成大量液滴噴射到其表面。隨著設備特征結構長度增加和對漩渦大小的改變，很大程度上降低了集水器對設備本身結構精細度的依賴。

結合重力導向的褶皺聚集，集水器可在 0.8 m/s 的低風速下產生 16.1% 的收集效率，并且對表面特征具有魯棒性，即使在室外環境中，一平方米大小收集器也能保持收集效率，這一結果令該研究團隊感到興奮，或將為解決人類水資源短缺難題起到重大推動性作用。

圖｜金字塔結構集水器機構示意圖（來源：nature communications）

為了進一步驗證這種準穩定的反向旋轉渦流促進霧攔截的可行性，該團隊在相同流動條件下測量了立方剪紙單面的液滴生長動力學。結果發現，直徑大于 500 μm 的大部分液滴出現在 θ = 120° 和 150° 立方剪紙上，而直徑小于 300 μm 的液滴在二維穿孔表面占主導地位。

由于立方單位的尺寸比進來的霧滴大 4 個數量級，并且其表面沒有特制的納米或微結構，所以快速的液滴沉積和生長很有可能來自整流后的霧滴。

這種金字塔式剪紙集水器超材料，可使集水效率與集水器的表面特性關聯性沒有那么強，當集水器的結構尺寸和空氣流動的宏觀尺寸相接近時，金字塔式剪紙集水器的集水效率可以達到 16%。由于該集水器解決了霧捕獲對空氣動力學偏差的限制和精度要求，在未來應用場景方面具有很大的潛力。

圖｜金字塔式集水器的穩定性和可擴展性（來源：nature communications）

總之，該團隊制備的厘米級三維剪紙結構，可以集水器內部產生整流旋渦風，并調節其與霧滴的相互作用，在不需要精細結構的情況下較大地提高霧收集效率。

該研究成果展示的空氣動力學金字塔式剪紙集水器機制，核心被特殊的全局結構控制，它適用于各種基材，并在所選尺度良好地運行。

從應用角度來看，空氣動力學輔助的金字塔剪紙集水器不僅能向人們提供了一種水資源的制備方式，還可以節約生產成本和擺脫對基礎設施的依賴。

編輯 | 清風 

來源 | deeptech深科技

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