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“金字塔式剪纸”集水器问世,集水率最高可提升20倍,有望解决12亿人喝水难

发表时间:2021-09-24 18:04:00  来源:野望文存  浏览:次   【】【】【


随着全球经济的飞速发展和人口规模的快速增长,加之人类对现有水资源污染及非合理开采和利用,可饮用水资源缺乏已成为当今世界面临的严峻挑战。

图|干枯的淡水湖(来源:Pixabay)

相比资源型缺水问题而言,水质性缺水更为严峻。目前,人们普遍采用海水淡化、地下水采集和南水北调等方法解决缺水的问题,然而这并非最佳手段。

为了解决全球性缺水危机,有部分科学家想到一种高效可扩展的的淡水制备办法,通过发明特殊结构及性能的设备,从 “雾” 等环境中收集或提取淡水。虽然该方法距大规模应用还比较遥远,但其解决问题的思路值得借鉴。

图|传统雾收集网状结构原理图(来源:Nature Communications

近日,宾夕法尼亚大学的科学家制备出 “金字塔式剪纸” 集水器。与传统的纳米集水器相比,积水效率高达 20%,其积水效率最高提升了 20 倍,有望解决约 12 亿人口饮水资源短缺问题。

9 月 16 日,相关论文以《空气动力学辅助、高效且可扩展的剪纸雾收集器》(Aerodynamics-assisted, efficient and scalable kirigami fog collectors)为题发表在 Nature Communications 上。

图|相关论文(来源:Nature Communications

由宾夕法尼亚大学材料科学与工程系博士研究生李京(Jing Li)担任第一作者、教授杨澍(ShuYang)担任通讯作者,吉林大学仿生工程实验室教授牛士超课题组为该研究合作者。

图|杨澍(来源:宾夕法尼亚大学官网)

该研究成果充分考虑了当今世界在人口增长及环境污染等多方面难题,以环保、高效为设计理念,尝试开发出一种可以从大自然中主动汲取雾气、露水等清洁水资源,以解决人类淡水资源紧缺。

经过不断地推理论证及大量的实验求证,该团队发现,传统的集水器表面周围的风速存在粘性阻力,会使集水器的集水效率变低。而他们所制备的集水器呈金字塔式的剪纸结构,不仅可以控制风的流速,还能形成稳定的反向旋转涡流,在弯曲的基板前创造了额外的停滞区域。

在这些停滞区域,可以吸引入外面生成的雾滴,对基板附近水滴的运动轨迹也有影响。此外,集水器涡流在 150° 和 120° 的褶皱周围能以 6 Hz 和 4.5 Hz 的频率来回飘动,由于液滴惯性涡流内积聚的液滴可以沉积到基板上。

集水器的这种涡流调节功能,使进入设备的雾团形成大量液滴喷射到其表面。随着设备特征结构长度增加和对漩涡大小的改变,很大程度上降低了集水器对设备本身结构精细度的依赖。

结合重力导向的褶皱聚集,集水器可在 0.8 m/s 的低风速下产生 16.1% 的收集效率,并且对表面特征具有鲁棒性,即使在室外环境中,一平方米大小收集器也能保持收集效率,这一结果令该研究团队感到兴奋,或将为解决人类水资源短缺难题起到重大推动性作用。

图|金字塔结构集水器机构示意图(来源:Nature Communications

为了进一步验证这种准稳定的反向旋转涡流促进雾拦截的可行性,该团队在相同流动条件下测量了立方剪纸单面的液滴生长动力学。结果发现,直径大于 500 μm 的大部分液滴出现在 θ = 120° 和 150° 立方剪纸上,而直径小于 300 μm 的液滴在二维穿孔表面占主导地位。

由于立方单位的尺寸比进来的雾滴大 4 个数量级,并且其表面没有特制的纳米或微结构,所以快速的液滴沉积和生长很有可能来自整流后的雾滴。

这种金字塔式剪纸集水器超材料,可使集水效率与集水器的表面特性关联性没有那么强,当集水器的结构尺寸和空气流动的宏观尺寸相接近时,金字塔式剪纸集水器的集水效率可以达到 16%。由于该集水器解决了雾捕获对空气动力学偏差的限制和精度要求,在未来应用场景方面具有很大的潜力。

图|金字塔式集水器的稳定性和可扩展性(来源:Nature Communications

总之,该团队制备的厘米级三维剪纸结构,可以集水器内部产生整流旋涡风,并调节其与雾滴的相互作用,在不需要精细结构的情况下较大地提高雾收集效率。

该研究成果展示的空气动力学金字塔式剪纸集水器机制,核心被特殊的全局结构控制,它适用于各种基材,并在所选尺度良好地运行。

从应用角度来看,空气动力学辅助的金字塔剪纸集水器不仅能向人们提供了一种水资源的制备方式,还可以节约生产成本和摆脱对基础设施的依赖。


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参考:
https://www.nature.com/articles/s41467-021-25764-4

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责任编辑:蔡学森