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隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人口規(guī)模的快速增長，加之人類對現(xiàn)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(dāng)今世界面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

相比資源型缺水問題而言，水質(zhì)性缺水更為嚴(yán)峻。目前，人們普遍采用海水淡化、地下水采集和南水北調(diào)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(jī)，有部分科學(xué)家想到一種高效可擴(kuò)展的的淡水制備辦法，通過發(fā)明特殊結(jié)構(gòu)及性能的設(shè)備，從 “霧” 等環(huán)境中收集或提取淡水。雖然該方法距大規(guī)模應(yīng)用還比較遙遠(yuǎn)，但其解決問題的思路值得借鑒。

近日，賓夕法尼亞大學(xué)的科學(xué)家制備出 “金字塔式剪紙” 集水器。與傳統(tǒng)的納米集水器相比，積水效率高達(dá) 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(guān)論文以《空氣動力學(xué)輔助、高效且可擴(kuò)展的剪紙霧收集器》（Aerodynamics-assisted, efficient and scalable kirigami fog collectors）為題發(fā)表在 Nature Communications 上。

由賓夕法尼亞大學(xué)材料科學(xué)與工程系博士研究生李京（Jing Li）擔(dān)任第一作者、教授楊澍（ShuYang）擔(dān)任通訊作者，吉林大學(xué)仿生工程實(shí)驗(yàn)室教授牛士超課題組為該研究合作者。

該研究成果充分考慮了當(dāng)今世界在人口增長及環(huán)境污染等多方面難題，以環(huán)保、高效為設(shè)計(jì)理念，嘗試開發(fā)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(jīng)過不斷地推理論證及大量的實(shí)驗(yàn)求證，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的集水器表面周圍的風(fēng)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(jié)構(gòu)，不僅可以控制風(fēng)的流速，還能形成穩(wěn)定的反向旋轉(zhuǎn)渦流，在彎曲的基板前創(chuàng)造了額外的停滯區(qū)域。

在這些停滯區(qū)域，可以吸引入外面生成的霧滴，對基板附近水滴的運(yùn)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(nèi)積聚的液滴可以沉積到基板上。

集水器的這種渦流調(diào)節(jié)功能，使進(jìn)入設(shè)備的霧團(tuán)形成大量液滴噴射到其表面。隨著設(shè)備特征結(jié)構(gòu)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(shè)備本身結(jié)構(gòu)精細(xì)度的依賴。

結(jié)合重力導(dǎo)向的褶皺聚集，集水器可在 0.8 m/s 的低風(fēng)速下產(chǎn)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(huán)境中，一平方米大小收集器也能保持收集效率，這一結(jié)果令該研究團(tuán)隊(duì)感到興奮，或?qū)榻鉀Q人類水資源短缺難題起到重大推動性作用。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證這種準(zhǔn)穩(wěn)定的反向旋轉(zhuǎn)渦流促進(jìn)霧攔截的可行性，該團(tuán)隊(duì)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(xué)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，直徑大于 500 μm 的大部分液滴出現(xiàn)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(dǎo)地位。

由于立方單位的尺寸比進(jìn)來的霧滴大 4 個數(shù)量級，并且其表面沒有特制的納米或微結(jié)構(gòu)，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(guān)聯(lián)性沒有那么強(qiáng)，當(dāng)集水器的結(jié)構(gòu)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(dá)到 16%。由于該集水器解決了霧捕獲對空氣動力學(xué)偏差的限制和精度要求，在未來應(yīng)用場景方面具有很大的潛力。

總之，該團(tuán)隊(duì)制備的厘米級三維剪紙結(jié)構(gòu)，可以集水器內(nèi)部產(chǎn)生整流旋渦風(fēng)，并調(diào)節(jié)其與霧滴的相互作用，在不需要精細(xì)結(jié)構(gòu)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(xué)金字塔式剪紙集水器機(jī)制，核心被特殊的全局結(jié)構(gòu)控制，它適用于各種基材，并在所選尺度良好地運(yùn)行。

從應(yīng)用角度來看，空氣動力學(xué)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(jié)約生產(chǎn)成本和擺脫對基礎(chǔ)設(shè)施的依賴。