江苏大学《自然·通讯》：高效集雾与自清洁新突破：仿生表面技术破解水资源短缺难题

全球水资源短缺已成为严峻挑战，尤其在干旱和半干旱地区，传统水源十分有限。大气中的雾是一种尚未被充分利用的水资源，然而，现有集雾技术长期面临“捕获与运输”之间的平衡难题：高效捕获水滴的同时往往阻碍其快速脱离与输送，成为制约集雾效率的关键瓶颈。

近日，江苏大学闫研教授、戴江栋副研究员提出了一种多生物启发的超滑表面阵列，通过在润滑液注入多孔表面保留暴露的亲水凸点，成功解决了上述困境。该表面融合了沙漠甲虫背壳的亲水/疏水交替结构与猪笼草超滑表面的特性，实现了高效雾滴捕获与快速液滴输运，集雾效率达到目前报道的最高水平——在雾流量300至1500毫升/小时的条件下，每小时每平方厘米可收集5000至60000毫克水。此外，通过在凸点中集成二氧化钛光催化剂，该设备还能同步实现水的收集与净化。相关论文以“Preserving exposed hydrophilic bumps on multi-bioinspired slippery surface arrays unlocks high-efficiency fog collection and photocatalytic cleaning”为题，发表在

Nature Communications

研究团队设计了一种具有Janus结构的基底：上层为亲水的BaSO₄纳米颗粒，下层为疏水的Cu(OH)₂纳米棒阵列。通过水下注入润滑油的策略，成功防止亲水凸点被油包裹，使其在超滑表面上保持暴露状态。实验表明，水下注入的样品比空气中注入的样品润滑油增益提高22%，且在高速旋转后润滑油损失更少，展现出优异的稳定性。

图1 | 多生物启发SLIPS的设计示意图 a 结合沙漠甲虫背壳的Janus结构与猪笼草超滑表面的集雾机制示意图。 b 具有暴露亲水凸点的SLIPS基底制备与润滑油注入步骤示意图。

图2进一步比较了两种注入方式下样品的性能差异。水下注入的样品具有更小的水接触角和更大的滑动角，说明其表面亲水区域得以保留。在长期集雾测试中，水下注入样品的集雾率比空气注入样品高出33.2%，且液滴临界脱离尺寸更大，有利于提高单次收集水量。

图2 | 水下/空气注入Cu-SHBL-SLP样品的表征与集雾性能 a 润滑油增益质量；b 水接触角；c 水滑动角；d 经1500 rpm旋转60秒后的润滑油损失质量；e 长期集雾性能与稳定性；f、g 空气注入与水下注入样品在集雾过程中的实时光学观察图像。

图3系统比较了不同阶段薄膜的集雾性能。从原始铜片到最终的超滑亲水凸点表面，集雾率逐步提升。其中，Cu-SHBL-SLP薄膜表现最佳，其首次液滴脱离时间短、重量大，说明亲水凸点有效促进了雾滴的捕获与合并。通过调控BaSO₄含量，研究发现0.53 wt%的钡含量可实现最佳平衡，进一步验证了亲水凸点在优化集雾过程中的关键作用。

图3 | 不同阶段薄膜的表面润湿性与水滴粘附控制 a 各样品集雾率比较；b 首次液滴脱离时间与重量；c 不同Ba含量样品的集雾率；d 水接触角；e 水滑动角；f 液滴粘附力；g 首次液滴脱离时间与重量随Ba含量的变化。

图4通过原位红外光谱揭示了亲水凸点对水分子解离的促进作用。随着凸点数量增加，水分子的O–H伸缩振动与弯曲振动强度显著增强，表明其表面水亲和力提高，初始液滴形成与合并速度加快。

图4 | 具有/无亲水凸点的SLIPS表面水分子解离与捕获机制 a 不同Ba含量样品在连续水蒸气吸附下的原位DRIFTS光谱；b、c 不同振动峰强度比值；d、e 有无亲水凸点表面对雾流中水分子解离状态的示意图。

图5展示了从二维图案到三维阵列的宏观设计与集成。研究团队受仙人掌启发，设计了具有锯齿边缘的“反向圣诞树”结构，通过调控长度与倾斜角，优化了拉普拉斯压力与重力协同作用下的液滴输运。在最优参数下，二维图案化表面在300毫升/小时的雾流量下集雾率超过5000毫克/平方厘米·小时，在1500毫升/小时条件下可达60000毫克/平方厘米·小时，创下当前最高纪录。进一步组装的立体集雾装置在500分钟内收集超过660克水，并具备优异的成本效益。此外，通过在凸点中负载TiO₂，该表面在紫外光照下可高效降解雾中的有机污染物，实现集雾与净化的协同进行。

图5 | 三维集雾器的宏观设计与装置性能 a 二维图案化集雾器的制备过程；b、c 不同长度与倾斜角对集雾率的影响；d 最优二维图案集雾过程高速摄影图像；e 本研究与其他代表性工作的集雾率对比；f 组装的三维集雾装置；g 其集雾性能；h 500分钟内收集超过660毫升水；i、j Cu-SHBL(Ti)-SLP薄膜的制备过程与SEM图像；k、l 集雾过程中罗丹明B降解的实验设置与结果。

该研究通过融合多种生物灵感与先进材料设计，提出了一种既能高效集雾又具备自清洁功能的创新解决方案。其核心在于通过水下注油策略成功保留了亲水凸点结构，从根本上解决了集雾过程中捕获与运输之间的矛盾。未来，这一技术有望进一步优化并应用于便携式、低能耗的集雾产品，为缓解全球水资源短缺问题提供新路径。