2016年11月11日 星期五 09:15:33
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一种可从雾中收集水滴的纤维素新材料

发表时间:2022/8/1

纤维素是地球上最古老、最丰富的天然高分子,是一种具有强吸湿性的可再生材料,其分子骨架上丰富的羟基为雾收集提供了高效的亲水域。然而,连续的亲水域会导致表面成核液滴的钉扎以及凝聚水膜的界面屏蔽。

鉴于此,广西大学研究团队从仙人掌刺和甲壳虫翅膀表面构造中获得灵感,发明了可从雾中收集水滴的纤维素新材料。通过选择性调控纤维素表面自由能的极性分量和色散分量,实现了非连续的分子级亲/疏水域。随后将其涂敷在非对称刺表面,简单构造了可以实现液滴快速成核和去除的双重仿生表面。值得注意的是,雾滴与收集器之间自发的界面电荷作用被首次开发和利用,水收集效率高达93.18 kg/(m2·h)。


纤维素基非对称两亲性表面的设计

缩刺仙人掌是极少数适合在极度干旱地区生长的植物之一,除了通过将叶子退化为针以避免水分的蒸发和流失,其针刺还具有主动收集雾以提供外源水分补充的作用。此外,纳布尔沙漠甲虫同样可以从稀薄的空气中获取水分。通过背部鞘翅表面的亲水-疏水图案。亲水区捕捉水雾,液滴凝聚增大后转移至疏水区,疏水区的低表面能使大液滴从鞘翅表面快速去除。受到这两种生物精致结构和巧妙机制的启发,研究人员设计了一种双重仿生水雾收集表面。



纤维素基非对称两亲性材料的表征

通过亲核取代接入疏水性的10-十一烯酰氯制得两亲性纤维素酯涂层。分别采用元素分析,固体13C核磁波谱仪、傅里叶红外光谱仪、X射线电子能谱仪等对合成纤维素酯的物理化学性质进行探究。



表面湿润性和耐久性

表面的湿润性对于液滴成核和去除具有重要作用,研究人员通过接触角测量仪评估接触角,接触角滞后现象,表面自由能以及界面张力等。



静电辅助水收集

几乎所有已知的材料都具有接触起电效应,水滴与聚合物在接触分离时同样会发生电荷转移。该研究首次揭示了水收集表面与雾滴之间存在的静电吸附现象,并将其用于辅助增强水收集。最终水收集效率高达93.18 kg/(m2·h),高于目前已知仿生甲虫和仙人掌的雾收集器。



据悉,该项成果以题为“Bioinspired asymmetric amphiphilic surface for triboelectric enhanced efficient water harvesting”发表在《Nature Communications》上。


(来源:高分子科学前沿)