凝水借力——你不知道的仿生學節能之路

材料牛注：人類的想象力和創造力是無窮無盡的，在人類發展的歷史長河中，我們仿照鳥的飛行制造了飛機，仿照蝙蝠的超聲定位器制造了雷達，以及鯊魚皮泳衣等等一系列仿生學的運用，給我們的生產和生活帶來了巨大的改變。下面哈佛大學的科學家們通過仿照甲蟲、仙人掌以及捕蟲草的結構，在提升能源效率領域給我們又帶來一個驚喜。

當你把沙漠甲蟲、捕蟲草以及仙人掌結合在一起后，你會得到什么呢？據Nature雜志的報道，選取其中有用的部分，你將會得到一個極為光滑的表面，同時該表面還具有一種不可思議的能力——冷凝并收集水。

這一研究進展將對能源領域產生重大影響。當談及能源效率這一話題時，冷凝一直是一個有待解決的問題。例如，核能、煤炭以及火力發電廠都需要利用大量的熱交換器來冷凝蒸汽，隨后使水從渦輪機中流出，然后再進行新一輪的熱蒸汽冷凝。而對于其他設備來說，例如風力渦輪機和冰箱的線圈，冷凝則是冰形成的第一步。

在過去的十年中，人們在仿生材料方面的快速進步，讓我們有望通過表面工程來加速或引導冷凝，從而達到對水前所未有的控制。

仿生材料已經在商業領域有著廣泛的運用，例如NeverWet就是一種由涂料生產商Rust-Oleum公司研發的表面保護劑，該產品于2013年開始銷售。它包含一種可以自組裝形成疏水表面的納米粒子，并且所形成疏水表面的粗糙度類似于荷葉。

哈佛大學的材料科學家近日表示，他們的三重仿生表面可將仿生領域的研究推向高潮。仿生表面上最為新穎的結構是高度為0.9毫米的不對稱丘型結構，這一研究靈感來源于沙漠甲蟲背上促進水凝結的凸起結構。（下圖為納米比亞的Stenocara 擬步甲在沙漠中收集露水）

哈佛大學實驗室的研究員Joanna Aizenberg表示，他們的研究成果首次提供了可以解釋凸起結構是如何促進水蒸氣凝結成液滴的理論框架，即一種輔助沙漠甲蟲從濃霧中汲取水分的技巧。

液滴在該丘型結構中形成之后，從一個凹形斜側結構（即第二個結構單元）上流下，該結構仿照了仙人掌刺引導液滴的原理。最后一個結構是仿照了豬籠草的“陷阱”，在整個表面的納米孔中注入潤滑油，以創造一個光滑的表面。（如下圖）

哈佛大學的研究人員已經將最后一個結構單元進行改良，并申請為專利。他們將這一所謂的SLIPS設計通過SLIPS技術實現商業化。

SLIPS技術的首席技術專家Philseok Kim表示，SLIPS的表面處理技術和薄膜正在紐約的摩天大樓測試其防積雪的能力。同時這一技術也將陸續運用到其他方面，如海洋環境防污涂層。

然而這一來自哈佛的全新表面，在冷凝水方面比起單獨的SLIPS有更加優異的表現。?Aizenberg表示，這是因為液滴形成的絕緣屏障能減緩進一步的凝結，所以這對電廠冷凝器的換熱表面有著更大的價值，當然同時也要確保液滴能被盡可能快地從表面除去。

Aizenberg認為，事實上冷凝水技術的一個最為直接的仿生應用，就是為一些水分收集速度不夠快的偏遠社區，甚至是水分會迅速蒸發的干旱地區建立水分收集系統。

賓夕法尼亞州立大學的材料科學家Tak-Sing Wong表示，哈佛大學研究成果能夠使發電廠熱交換器的效率加倍，同時熱交換器表面形成的水滴可以從表面滑落也是非常重要的。因為它能立即帶走熱量，且表面所收集的水量與水從表面帶走的熱量成正比。

冰箱則是從中受益的另一個與能源相關的設備，其周期性地加熱冷凝線圈以防止霜的積累。Wong表示，仿生涂料的運用最終能夠減少冰箱30%以上的電量消耗。而這些并不復雜的先進設計有望在未來的兩到五年內走向商業化。

原文鏈接：Beetles, Cacti, and Killer Plants Inspire Energy Efficiency

本文由編輯部楊鵬程提供素材，黃超編譯。