水资源短缺已经成为一个日益严重的全球性问题，开发高效制取洁净水资源的策略是世界性的重要课题。目前地表水被大量甚至过度开发利用，然而人们却往往忽视了空气中蕴藏的丰富水资源。开发创新型的大气集水材料为缓解水危机提供了有力的解决方案。自然界中的许多生物都具有非凡的集水能力，如蜘蛛丝、甲壳虫和仙人掌刺等，这得益于它们在微观和纳米尺度上精密排列的图案化纹理结构和化学成分组成。高效的雾气收集与两个主要因素密切相关：水滴的快速捕获和水滴的聚集。借鉴自然，提出一种有效的材料设计策略，加速大气集水材料表面液滴的聚集、生长和收集，对应对具有挑战性的水资源获取具有重要意义。

      基于上述背景，北京航空航天大学赵勇教授、中国科学院理化技术研究所李永教授，受沙漠甲虫的疏水/亲水图案化背部组成和蜘蛛丝的自推进集水特性的启发，联合报道了一种疏水/亲水图案化交替组成的二元纳米纤绳协同策略，用于实现高效雾气收集。该篇工作重点对纤绳结构尺度和成分上的亲/疏水暴露面积比例进行综合探究和优化，以加速水滴捕获、输送、凝聚和收集过程循环（图1）。这一简单有效的创新性方案有望在缓解水资源稀缺方面发挥重要作用。

图1 受甲壳虫和蜘蛛丝集水特性启发的，二元亲水/疏水加捻纤绳设计理念及制备流程。

      人工仿甲壳虫背部图案化模型适用于较小面积的集水，然而由于实际应用往往面临比较大的风阻，将材料规模化扩大成为难题。人造蜘蛛丝材料受风阻影响较少，集水的关键在于其微米尺度的周期性纺锤结构，与雾滴的直径相当。然而，较低的机械强度难以应对自然条件。增加纤维直径可以提高强度，但也会牺牲集水效率。因此，开发一种综合集水体系，既无需面对风阻的挑战，又能兼顾微米结构增强的集水效率和坚韧的机械强度，仍然是一项重大挑战。

      作者提出了一种利用电纺和复合加捻技术制备的二元双股疏水PVDF-HFP/亲水PAN纳米纤维纱绳。采用异质疏水/亲水纤绳交替排列的协同组成方式，水在疏水PVDF-HFP区域被捕获，并在亲水性PAN区域的非对称毛细驱动力作用下进行传输，从而加速液滴的聚集和生长。如图2所示，纯PVDF-HFP双股纤绳具有超疏水表面特性，纯PAN双股纤绳具有超亲水表面特性，而PVDF-HFP/PAN二元双股纤绳则具有交替的疏水/亲水表面特性。

图2 PVDF-HFP/PVDF-HFP、PAN/PAN和PVDF-HFP/PAN双股纤绳的表面形貌、元素组成和表面浸润特性。

      在模拟雾气收集测试中，PVDF-HFP/PVDF-HFP、PAN/PAN和PVDF-HFP/PAN双股纤绳分别表现出2.55±0.16，0.90±0.11和3.20±0.13 g·h⁻¹·cm⁻²的集水效率。与均匀的PVDF-HFP/PVDF-HFP和PAN/PAN双股纤绳相比，图案化异质组成的设计赋予二元双股PVDF-HFP/PAN纤绳最优的集水性能，可显著提高集水效率（图3）。

图3 PVDF-HFP/PAN二元双股纤绳集水效率优于单一浸润性质的PVDF-HFP/PVDF-HFP和PAN/PAN纤绳。

      作者进一步对二元双股纤绳的高效集水性能机制提出机理解释，如图4所示。（1）PAN/PAN纤绳具有亲水性，收集的水滴往往在表面形成一层薄薄的水膜，而不会积聚成较大的水滴，难以被收集。（2）PVDF-HFP/PVDF-HFP纤绳表面的疏水特性有助于捕获大量的微小水滴沉积，然而水滴只能在原位生长，难以聚集成大水滴被收集；同时水积累与水蒸发之间存在竞争平衡，因此，单一疏水纤绳表面集水过程耗时又低效。（3）PVDF-HFP/PAN二元异质纤绳提供了疏水区域捕获/亲水区域输运的协同集雾模式，可概括为四个阶段：沉积、传输、聚结和收集。首先，水滴在疏水PVDF-HFP部位被捕获沉积（I）；随后，在亲水PAN的浸润性梯度力作用下，水滴自发地向亲水区域移动（II）；相邻的小水滴相互接触并聚集形成大水滴（III）；最后，在重力作用下落入收集容器中实现集水过程循环（IV）。二元PVDF-HFP/PAN双股纤绳的交替式异质润湿性图案构成，显著加速了雾气收集性能。

图4 水滴在三种PVDF-HFP/PVDF-HFP、PAN/PAN和PVDF-HFP/PAN双股纤绳表面的捕获收集机理及机制分析。

      作者对对单股纤绳的直径尺度和亲/疏水区域暴露面积比例进行了调控，如图5所示。当PVDF-HFP和PAN纤绳的暴露面积比小于1:1时，亲水性的PAN占主导功能，水滴主要沿着纤绳扩散，而不是在纤绳表面积聚成大水滴。当PVDF-HFP和PAN纤绳的暴露面积比超过1:1时，疏水性的PVDF-HFP发挥主要作用，水滴在表面缓慢原位生长，而聚集变得更加困难，导致了水收集效率的降低。随PVDF-HFP和PAN暴露面积的增加，集雾效率呈现出先上升后下降的趋势，在1:1时达到顶峰。在连续15小时的循环测试中，保持稳定且高效的集雾效率，累计收集水量为48.68 g·h⁻¹·cm⁻²。

图5 PVDF-HFP和PAN纤绳的暴露面积比在1:1时，具有最优的集雾性能。

      该工作发表在Chinese Journal of Polymer Science的"Functional Polymer Materials"专辑。北京印刷学院青年教师侯兰兰和北航硕士研究生仇梦娜为该论文第一作者，中国科学院理化技术研究所李永教授和北京航空航天大学赵勇教授为共同通讯作者。

原文信息：

Bioinspired Double-stranded Yarn with Alternating Hydrophobic/Hydrophilic Patterns for High-efficiency Fog Collection

Hou, L. L.; Qiu, M. N.; Wang, Y. Q.; Bai, T. H.; Cui, Z. M.; Liu, J. C.; Qi, Y. Q.; Wang, N.; Li, Y.; Zhao, Y.

Chinese J. Polym. Sci. 

DOI: 10.1007/s10118-024-3109-5