可在空氣中收集水的「人造仙人掌刺」

地球上的最後一滴水，就是人類的眼淚--這句辛酸的話，既道出了人類對於水資源的渴望，又隱含了對於水資源不合理利用與開發的事實。在水資源日益緊張的今天，如何高效地獲取淡水，則成為了一項重要的課題。而空氣中的水分，看似虛無縹緲，實則儲量可觀。最近，北京航空航天大學郭林研究組發明了一種人造仙人掌刺，能夠模模擬正仙人掌，有效收集空氣中的水分。

(在該研究中，研究者將很多人造仙人掌刺插在海綿球上，隨後將其置於霧氣環境下，15分鐘後，量筒顯示已經收集了1.3毫升水。)

他們從仙人掌刺上學到了什麼？

事實上，人們已經清楚仙人掌刺的水收集能力與其表面的多級溝槽結構有關。這個結構使水珠在拉普拉斯壓力與潤濕性梯度的作用下從刺的尖部運動到刺的底部。不過，以往的研究把精力都投入到了具有潤濕性梯度上的表面上。郭林課題組則另闢蹊徑，他們認為，重塑仙人掌刺的微觀形貌也應該有效果。

(水滴在具有溝槽結構的仙人掌刺表現運動與遷移機理示意圖。多級溝槽結構使得固液氣三相接觸線被多重細分，造成水珠的整體拉普拉斯力顯著增加)

如何仿製出仙人掌刺？

他們使用了一根細細的繡花銀針作為原始的基底，用靜電仿絲技術技術將聚合物纖維"纏繞"其上。

（人造仙人掌刺的製作過程機理。在高壓電下，聚醯胺酸-聚苯乙烯複合物溶液以纖維形式噴塗到對面電極板，在噴塗路徑中以一定角度置入一隻旋轉的銀針。以此獲得纖維在針表面的螺旋纏繞，隨後將體系熱處理進行醯亞胺化，聚醯胺酸受熱變為聚醯亞胺，而聚苯乙烯作為犧牲模板被除去，同時獲得溝槽結構。）

那麼，這樣的技術可行嗎？他們用電鏡逐級放大觀察了他們的人造仙人掌刺。從中可以清晰地觀察到螺旋分布的纖維與溝槽結構。

（圖a: 原始的銀針。圖b: 人造仙人掌刺，小插圖內為真正的仙人掌刺。cdef圖分別為b圖的逐級放大圖。）

隨後，他們將其置於霧氣環境下，在短短的幾秒內，水滴便可以在針尖處富集並向針底遷移。

（在包括逆重力的多種角度下，水滴均可以從尖部運動到底部。）

該課題組的這項發明，讓人們在面臨淡水危機的時刻，至少又有了一種選擇。

參考文獻：

Bai, F.; Wu, J.; Gong, G.; Guo,nL., Biomimetic 「Cactus Spine」 with Hierarchical Groove Structure for EfficientnFog Collection. Advanced Science, 2015, DOI: 10.1002/advs.201500047