凝水借力——你不知道的仿生学节能之路

材料牛注：人类的想象力和创造力是无穷无尽的，在人类发展的历史长河中，我们仿照鸟的飞行制造了飞机，仿照蝙蝠的超声定位器制造了雷达，以及鲨鱼皮泳衣等等一系列仿生学的运用，给我们的生产和生活带来了巨大的改变。下面哈佛大学的科学家们通过仿照甲虫、仙人掌以及捕虫草的结构，在提升能源效率领域给我们又带来一个惊喜。

当你把沙漠甲虫、捕虫草以及仙人掌结合在一起后，你会得到什么呢？据Nature杂志的报道，选取其中有用的部分，你将会得到一个极为光滑的表面，同时该表面还具有一种不可思议的能力——冷凝并收集水。

这一研究进展将对能源领域产生重大影响。当谈及能源效率这一话题时，冷凝一直是一个有待解决的问题。例如，核能、煤炭以及火力发电厂都需要利用大量的热交换器来冷凝蒸汽，随后使水从涡轮机中流出，然后再进行新一轮的热蒸汽冷凝。而对于其他设备来说，例如风力涡轮机和冰箱的线圈，冷凝则是冰形成的第一步。

在过去的十年中，人们在仿生材料方面的快速进步，让我们有望通过表面工程来加速或引导冷凝，从而达到对水前所未有的控制。

仿生材料已经在商业领域有着广泛的运用，例如NeverWet就是一种由涂料生产商Rust-Oleum公司研发的表面保护剂，该产品于2013年开始销售。它包含一种可以自组装形成疏水表面的纳米粒子，并且所形成疏水表面的粗糙度类似于荷叶。

哈佛大学的材料科学家近日表示，他们的三重仿生表面可将仿生领域的研究推向高潮。仿生表面上最为新颖的结构是高度为0.9毫米的不对称丘型结构，这一研究灵感来源于沙漠甲虫背上促进水凝结的凸起结构。（下图为纳米比亚的Stenocara 拟步甲在沙漠中收集露水）

哈佛大学实验室的研究员Joanna Aizenberg表示，他们的研究成果首次提供了可以解释凸起结构是如何促进水蒸气凝结成液滴的理论框架，即一种辅助沙漠甲虫从浓雾中汲取水分的技巧。

液滴在该丘型结构中形成之后，从一个凹形斜侧结构（即第二个结构单元）上流下，该结构仿照了仙人掌刺引导液滴的原理。最后一个结构是仿照了猪笼草的“陷阱”，在整个表面的纳米孔中注入润滑油，以创造一个光滑的表面。（如下图）

哈佛大学的研究人员已经将最后一个结构单元进行改良，并申请为专利。他们将这一所谓的SLIPS设计通过SLIPS技术实现商业化。

SLIPS技术的首席技术专家Philseok Kim表示，SLIPS的表面处理技术和薄膜正在纽约的摩天大楼测试其防积雪的能力。同时这一技术也将陆续运用到其他方面，如海洋环境防污涂层。

然而这一来自哈佛的全新表面，在冷凝水方面比起单独的SLIPS有更加优异的表现。 Aizenberg表示，这是因为液滴形成的绝缘屏障能减缓进一步的凝结，所以这对电厂冷凝器的换热表面有着更大的价值，当然同时也要确保液滴能被尽可能快地从表面除去。

Aizenberg认为，事实上冷凝水技术的一个最为直接的仿生应用，就是为一些水分收集速度不够快的偏远社区，甚至是水分会迅速蒸发的干旱地区建立水分收集系统。

宾夕法尼亚州立大学的材料科学家Tak-Sing Wong表示，哈佛大学研究成果能够使发电厂热交换器的效率加倍，同时热交换器表面形成的水滴可以从表面滑落也是非常重要的。因为它能立即带走热量，且表面所收集的水量与水从表面带走的热量成正比。

冰箱则是从中受益的另一个与能源相关的设备，其周期性地加热冷凝线圈以防止霜的积累。Wong表示，仿生涂料的运用最终能够减少冰箱30%以上的电量消耗。而这些并不复杂的先进设计有望在未来的两到五年内走向商业化。

原文链接：Beetles, Cacti, and Killer Plants Inspire Energy Efficiency

本文由编辑部杨鹏程提供素材，黄超编译。