水收集在许多领域都有潜在的应用前景,特别是在极端缺水的情况下,如沙漠和沿海地区。利用具有特殊润湿性的微结构表面从雾中收集水是一种有效的策略,这一过程包括两个代表性阶段:捕获[1]和传输[2]。捕获阶段可以通过表面与液滴的直接接触实现,通常优先选择亲水表面[3,4]或液-液界面[5,6]。而传输阶段则更加多样化,在雾水收集效率中起着关键作用,因此受到了更多关注。
为了实现液滴的灵活传输,人们通过在超疏水基底[8]上制备不同的图案[7],例如楔形/树状图案[9,10]和润湿性梯度图案[7,11,12]或两者的组合[13,14],发现这些图案在雾水收集方面优于方形、圆形、点状或条纹状图案[15,16]。然而,这些制备的图案通常需要经过紫外线[10,17]、等离子体[18]或浸渍润滑剂[11,19]处理,但这些方法在短时间内就会失效。此外,当雾滴在微结构的间隙中凝结和聚集时,可能会无意中形成Wenzel状态,导致超疏水性或图案失效。因此,这些平台上的雾滴捕获和传输无法长时间保持有效性,从而限制了其应用场景。大多数报道的文献[[[20], [21], [22]]都忽略了这些缺点,因此迫切需要提高其耐久性。
此外,还提出了其他新型的组装结构来从雾中收集水,例如Janus膜[[23], [24], [25]]、具有润湿性图案的网格[26,27]、圆锥阵列结构[[28], [29], [30]]。与开放型微流控平台不同,这些组装结构大多是三维模型[31,32]而不是二维平面,因此这些结构中捕获的液滴传输主要依赖于重力,表面超疏水性或图案的失效很容易被掩盖。毫无疑问,许多微小的液滴由于重力可以忽略不计,会在传输阶段停留在初始成核位置,等待进一步凝结、蒸发,甚至被风吹走,这也降低了雾水收集的效率。
众所周知,由于制备技术成本高昂或复杂(如激光直写或烧结[33]、构建多层微结构阵列[12,24]以及在外部场中调节表面形态[20,34]),这些组装结构只能在小规模上制造。因此,如何实现大尺度的表面和高效率的雾水收集仍然是一个需要克服的挑战。
受到上述问题的启发,设计了一种由超疏水区和亲水区组成的双层集水表面,并且可以大规模制造。该表面包括一个收集平台、一个弯曲轨道和一个储存区域。整个雾水收集过程发生在收集平台上,落入超疏水区域微结构间隙中的雾滴可以自发地被弹出并迅速水平移动到亲水区域。从Wenzel状态到Cassie状态的液滴自发转变机制得到了理论上的解释。为了展示灵活的环境适应性和将收集到的水转移到任何位置的储存区域,弯曲轨道被制造在倾斜平面上。与现有方法相比,这种技术不仅可以实现更高的雾水收集效率,还可以提供更长的服务耐久性。