Science子刊：亲水材料竟然可以滴水不沾，淡水收集神器！

第一作者：戴贤明

通讯作者：戴贤明、黄得胜

第一单位：宾州州立大学（美国）

地球上有40亿人严重缺乏淡水资源，美国工程院把淡水资源列为人类面临的重大挑战之一。现有的很多造水技术(比如海水淡化，光热蒸发) 和节水技术 (比如电厂冷却) ，常常会涉及到水从汽态到液态的转变。这就需要一种高效的集水材料，既能有效捕获水蒸气或者小水滴，同时能滴水不沾。开发出能有效收集空气中水分并使其从表面脱落从而被收集一直是科学家们努力的方向。如果成功开发出来，有可能为干旱地区提供淡水资源。

图1. 干涸的土地

问题在于：亲水表面通常很容易吸收空气中的水蒸气和小水滴，但是会形成一层液膜，从而使吸收到的水分不能被有效收集。现有的不沾水材料普遍具有疏水性，要么依赖空气实现液滴弹跳，要么就是表面与水的接触面积太小。此前在亲水的固体上还没有发现过不沾水的表面。

有鉴于此，德州大学达拉斯分校的戴贤明博士和美国宾州州立大学的黄得胜博士从大自然中的水稻叶子和猪笼草获得启发，合作开发出一种连水蒸气也不沾的亲水粗糙表面，实现了亲水材料滴水不沾的突破！

图2. 不沾水的亲水材料被开发出来，现有的不沾水材料普遍为疏水

研究指出，这种既亲水又不沾水的粗糙表面，能大大促进水的高效捕获和收集。为什么需要这样的材料呢？我们先从甲壳虫说起。

图3. 甲壳虫吸收水分

沙漠中的甲壳虫在干涸的环境中之所以能生存，是依靠从雾中收集液滴提供生存所需的水分。甲壳虫其表面有亲水和疏水相间的化学物质，亲水表面有利于收集雾中的水滴，疏水表面有助于水珠滑落从而被饮用。亲水表面利于吸水，疏水表面利于排水，两者一直都有着相互竞争的功能。

甲壳虫从雾中吸水是通过表面的疏水结构来使水滴脱落，大自然中的植物比如水稻叶子之所以不沾水，是因为其表面的疏水化学物质和微纳米粗糙物理结构能“锁”住一层空气。下雨时水滴漂浮在这层气体上，从而不会沾在叶子表面。

图4. 水稻叶

而这项研究采用亲水的液体润滑来调控固体表面的性质，可以使固体表面变得亲水而不沾水。这种滴水不沾的亲水材料不依赖疏水化学物质，也不依赖表面锁住的空气，而且还有与水接触面积大，水蒸气容易成核，能让亲水表面更有效吸水并使吸收的水滴迅速脱落，同时有效吸水和排水，在科学研究和工业应用上都具有重要价值。

视频 1 新型仿生表面SRS对比现有技术SLIPS和SHS

视频 2 亲水不沾水表面对比没有润滑剂的常规纳米疏水表面

视频 3 微尺度下的机理

亲水粗糙表面即使完全被水淹没也不会沾水，从此以后不需要再担心空气跑了而失去疏水性能啦！

为了开发出这种技术，研究人员用亲水性液体润滑剂将对固体表面进行修饰，从而将固体表面性质变为亲水。由于液体润滑剂具有良好的流动性，使得液滴可以迅速滑落。为了提高水收集性能，研究人员还采用了粗糙表面加大其表面积。测试结果证实，该亲水粗糙表面在没有气体存在的情况下，能快速收集空气中的水分并且做到“滴水不沾”，其综合性能远超过先前的仿生材料。