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宾夕法尼亚大学杨澍教授《自然·通讯》:基于空气动力学调控的高效、可扩展剪纸雾水收集器

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高分子科学前沿 2021-09-17 09:22

随着人口的增长和气候变化的加剧,全球近12亿的人口面临经济用水短缺。水资源短缺不仅出现在干旱地区,而且也存在于巴西、秘鲁、智利和南加州等湿度高但降雨量少的地区。因此,开发高效、绿色化、大尺度的界面工程材料,以自发地从环境中汲取包括雾水、露水在内的清洁水资源成为了现代社会最紧迫的问题之一,也是实现可持续发展和低碳科技的关键技术之一。目前,应用于实际的雾水收集器主要依赖于网状结构或丝状结构。然而,由于空气流动在结构附近的偏移,这些低惯性的小雾滴很容易绕开表面被风带走(图1a)。尽管通过调节表面结构与润湿性可以促进单个小雾滴的定向输运,以达到提升收集效率的目的,这些基于固/液界面效应的策略通常需要特征结构小于雾滴尺寸。因此,它们在面向工业应用时仍然存在加工成本高、机械性能脆弱、户外耐候性差、无法大规模生产等局限。

为了解决这些问题,宾夕法尼亚大学材料科学与工程系的杨澍教授课题组利用宏观剪纸超材料,产生整流的旋涡扰动,并通过涡旋对雾团整体行为的调控实现了高效、稳定的雾水收集。这种基于空气动力调节的剪纸超材料打破了传统集水器中集水效率对表面特性的依赖,当剪纸超结构的单元尺寸与空气流动的宏观尺度接近时(厘米级),即可产生高达16% 的集水效率。与传统方法相比可以将结构的特征尺度提高2-3个数量级,极大地降低了对结构精密度的要求,也因此具有更大的拓展性和更广泛的应用前景。相关研究成果以题为“Aerodynamics-assisted, efficient and scalable kirigami fog collectors”发表在最新一期的《Nature Communications》 上。本文一作是杨澍课题组的李京博士,主要合作者有宾夕法尼亚大学机械工程与应用系的Paulo E. Arratia教授课题组和吉林大学仿生工程实验室的牛士超教授课题组。

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图一 设计理念

如图1b所示,本文将传统的剪纸和折纸艺术进行合理的设计,通过引入切口和折痕,使原本的二维平面结构变为凹、凸面周期性交替的三维立方形可调谐结构。这种独特的三维结构可以有效调节外部空气的流动,当折叠角达到120 o-150 o时,在基底附近形成周期性摆动的亚稳态涡流扰动(图2a)。涡流的形成改变了悬浮小雾滴的运动轨迹,使它们在涡心附近合并与生长,最终将大量大雾滴有效地甩向表面,从根源上解决了传统雾水收集装置中由空气动力挠度而产生的雾滴拦截效率低下问题。最终,液滴生长速率可被提升至6.76×10 -3 mm/s,是普通二维结构的3.53倍(图2b-f)。

图二 基于空气涡旋强化的高效雾滴捕获

为了进一步提升水收集效率,作者在原始立方体剪纸结构的基础上,沿对角线方向增加额外折皱,得到金字塔状剪纸结构(图3a)。这种结构将涡旋扰动产生的快速雾滴捕获与非对称形貌产生的定向输运相结合,当液滴生长到足够大时,它会以类似雪崩的行为坠落,并从每个面的中心区域抓取大量液滴,沿着折痕从金字塔的底部尖端快速滴落(图3b)。重要的是,非对称金字塔剪纸结构的设计不仅大大缩短了水收集的开始时间,而且可产生高达20%左右的集水效率,是传统微纳米集水器的2-10倍(图3c-e)。此外,金字塔剪纸材料的宏观三维结构将雾滴的捕获、输运和滴落解耦到了不同的平面,自然地避免了雾水收集过程中常见的开口堵塞问题。

图三 金字塔剪纸结构上的雾水快速滴落与收集

剪纸水收集器同时具有广泛的应用前景。由于本文中的基于空气扰动的雾水收集机制是由宏观折皱控制的,因而水收集性能不依赖于表面特性,对室外环境中的磨损和污垢具有很强的抵抗能力(图4a)。同时,本文的户外测量结果显示(图4b-d),在1m 2的大尺度样品上,集水效率仍然可以维持在16%以上。样品尺寸可通过模块化设计进一步加大。此外,这种设计适用于包括塑料、金属箔、木材等在内的多种可切割廉价材料(平均造价仅为60元/m 2),并可作为基底与其它材料结合。

图四 剪纸水收集器的稳定性与拓展性

总结:本文开发了厘米级三维剪纸超材料,通过产生涡旋流动,调节雾团的行为轨迹,大大提高了雾团收集效率。重要的是,本文报道的空气动力学辅助物收集机制主要由宏观几何结构控制。因此,它适用于各种材料,并可拓展至米尺度。

全文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-25764-4

来源:高分子科学前沿

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