沙漠甲虫的“黑科技”：如何在死亡之海“榨”出水来？

纳米布沙漠甲虫

（Stenocara gracilipes）

在广袤无垠的纳米布沙漠，白天的温度可以飙升到50℃，而夜晚却可能降至冰点，这里年降水量不足10毫米，堪称地球上最干旱的地区之一。然而，就在这片“死亡之海”中，有一种小小的甲虫却活得悠然自得——它就是纳米布沙漠甲虫（Stenocara gracilipes）。

这种甲虫不仅能在极端环境中生存，还能从稀薄的空气中“榨取”水分！它是如何做到的？答案就藏在它的表面上。

01

沙漠甲虫的“集水神器”：

凹凸不平的背部

纳米布沙漠甲虫的背部由许许多多的“山脊”构成，“山脊”之间又形成了许多“山谷”，而神奇之处便在于它的“山脊”光滑且亲水，“山谷”中有许多覆盖着蜡状外衣的球状物，形成类似于荷叶的防水层。当夜晚气温下降，沙漠甲虫们的体温也随之降低，它们会把头埋入沙土中休息，等待空气中的微小水珠聚集在体表的“山脊”上，然后沿着防水的“山谷”流入自己口中。这样它们不仅得到了休息，还能喝到水，并顺便给自己洗了个澡，真是一举多得呀！

甲虫背部微纳米结构的示意图

02

仿生学的灵感：

从甲虫到人工集水器

科学家们从纳米布沙漠甲虫的集水机制中获得了灵感，开发出了仿生集水器。这些集水器模仿了甲虫背部的微纳米结构，能够在干旱地区从空气中收集水分。

例如，2011年，澳大利亚设计师爱德华·利纳克尔发明了一种雾滴采集系统，用于在干燥的沙漠中收集水汽，灌溉植物或提供饮用水。这种系统已经在南美洲的阿塔卡马沙漠中应用，每平方米每天可以收集几升水，湿度大时甚至超过10升。

现在，越来越多的科学家加入了“向大气寻求淡水”的行列。在全球水资源中，淡水资源占2.5%，但可利用的淡水资源仅占其中的0.4% 左右。最常用的淡水获得方法是海水脱盐，但其对能源的消耗以及地理位置的依赖限制了应用。地球的大气中含有大量的淡水资源，可以通过各类雾气集水装置来进行收集。而为了提高仿沙漠甲虫集水装置的集水效率，需要去调控亲/ 疏水部分的形貌、亲/ 疏水位点的比例、亲/ 疏水位点的润湿/ 非润湿程度等。东南大学的张友法团队受沙漠甲虫和仙人掌结构的启发，设计了一种具有梯形阵列链柱结构的超疏水表面，每平方米每小时集水量可达11.9千克。福州大学的赖跃坤团队则开发了一种新型集雾装置，先使用简单的编织方法获得织物，然后在织物表面沉积铜颗粒，制备了超疏水- 超亲水性图案织物，这种装置在每小时内每平方米集水量达到14.3 千克。华中科技大学瞿金平团队将聚丙烯/ 石墨烯纳米片薄膜用于水雾收集，该集雾薄膜在多种外部因素（如盐、酸/ 碱溶液和高温）干扰下均能保持稳定的雾收集效率，每小时每平方米的最高集水量仍能达到12.5 千克。

03

表面的力量：

从自然到科技的跨越

纳米布沙漠甲虫的集水机制，展示了表面科学的神奇力量。表面不仅仅是物体的“外衣”，它还能通过特殊的结构和性质，实现许多令人惊叹的功能。

所以，当你下次看到一滴水珠在荷叶上滚动，或者一块太阳能板在阳光下闪闪发光时，不妨想一想：这看似平凡的表面，背后究竟藏着多少不为人知的秘密呢？

《神奇的表面》：

一本让你重新认识世界的书

神奇的表面

沈一洲 主编

北京 : 科学出版社, 2025. 3

ISBN 978-7-03-080523-2

责任编辑：李涪汁 曾佳佳

本书系统地介绍了当今世界上那些具有特殊功能的表面，它们有些神秘莫测、不可思议，有些又随处可见。通过对超疏水、超润滑、防污渍、耐腐蚀、耐辐射、耐磨、自修复、隔热、防冰、电磁吸收、吸声、光学伪装、抗菌/ 杀菌、止血等功能性表面进行介绍，能够增强人们对已有“表面”的理解，同时也希望在全人类的努力下，未来能够发现与研制更多利于人类发展的“表面”。

如果你对纳米布沙漠甲虫的集水机制感到好奇，那么你一定会对《神奇的表面》这本书爱不释手。书中不仅介绍了自然界中的各种神奇表面，还深入探讨了人类如何通过表面技术改变世界。

从自清洁材料到耐腐蚀涂层，从隐身技术到抗菌表面，这本书带你从微观世界到宏观宇宙，揭示了表面科学的无限可能。无论你是科学爱好者，还是对科技充满好奇的普通读者，这本书都会让你大开眼界。

如果你对表面的奥秘感兴趣，不妨翻开《神奇的表面》，一起探索这个神奇的世界吧！

（本文编辑：刘四旦）

一起阅读科学!

科学出版社│微信ID：sciencepress-cspm

专业品质 学术价值

原创好读 科学品位

科学出版社视频号

硬核有料 视听科学