“金字塔式剪纸”集水器问世集水率最高可提升二十倍，有望解决十二亿人喝水难

随着全球经济的快速发展和人口规模的快速增长，加上现有水资源的污染和人类不合理的开发利用，饮用水资源短缺已成为当今世界面临的严峻挑战。

与资源型缺水相比，水型缺水更为严峻。目前人们普遍采用海水淡化、地下水收集、南水北调来解决缺水问题，但这并不是最好的方法。

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。

为了解决全球水资源短缺危机，一些科学家提出了一种高效、可扩展的淡水制备方法，通过发明具有特殊结构和性能的设备，可以从雾等环境中收集或提取淡水。这种方法虽然离大规模应用还很远，但其解决问题的思路值得借鉴。

最近，宾夕法尼亚大学的科学家们制作了一个“金字塔剪纸”集水器。与传统纳米集水器相比，蓄水效率高达20%，其蓄水效率高达20倍，有望解决约12亿人的饮水困难问题。

相关论文发表在Nature Electronics上，题目为“空气动辅助的高效可扩展剪纸集雾器”。

美国宾夕法尼亚大学材料科学与工程系博士生李京为第一作者，教授杨舒为通讯作者，吉林大学仿生工程实验室教授牛为研究伙伴。

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。

研究成果充分考虑当今世界人口增长和环境污染问题，以环保高效为设计理念，试图开发一种能主动从自然界吸收雾、露等的清洁水源，以解决人类淡水资源短缺问题。

经过不断的推理和大量的实验，团队发现传统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降低。而他们制备的集水器具有金字塔形的剪纸结构，既能控制风速，又能形成稳定的反向旋转涡旋，在弯曲的基底前产生额外的滞止区。

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度～120度的褶皱周围能以6赫兹～4.5赫兹的频率来回飘动，由于液滴惯性涡流内积聚的液滴可以沉积到基板上。

在这些停滞区域中，外部产生的液滴可以被吸引，并且靠近基板的液滴的轨迹也受到影响。此外，集水器的涡流可以以6-4.5 Hz的频率在150-120度的褶皱周围来回浮动，由于液滴的惯性而聚集在涡流中的液滴可以沉积在基底上。

集水器的涡流调节功能使进入设备的水雾形成大量的雾滴，并将其喷洒在设备表面。随着设备特征结构长度的增加和涡流大小的变化，集水器对设备本身结构精细程度的依赖性大大降低。

结合重力导向褶皱聚集，该收集器在0.8m/s的低风速下可产生16.1%的收集效率，并且对地表特征具有鲁棒性。即使在室外环境下，一平方米的收集器也能保持收集效率。这一结果令研究团队兴奋不已，或将对解决人类缺水问题起到重大作用。

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微米的大部分液滴出现在立方剪纸上，而直径小于300微米的液滴在二维穿孔表面占主导地位。

为了进一步验证这种准稳定反转涡旋促进雾滴拦截的可行性，团队在相同的流动条件下测量了立方体切纸一侧的液滴生长动力学。发现大部分直径大于500微米的液滴出现在立方体剪纸上，而直径小于300微米的液滴则在二维打孔表面占主导地位。

由于立方单元的尺寸比进入的液滴大4个数量级，并且其表面没有特殊的纳米或微结构，所以液滴的快速沉积和生长很可能来自于整流后的液滴。

金字塔形剪纸集水器的超材料可以使集水效率和集水器的表面特征之间的相关性不那么强。当集水器的结构尺寸接近空气流的宏观尺寸时，金字塔形剪纸集水器的集水效率可达16%。集水器在未来的应用场景中有很大的潜力，因为它解决了雾捕获引起的空气动偏差的限制和精度要求。

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。

总之，团队制备的厘米级三维剪纸结构，可以在集水器内部产生整流的涡旋风，并调节其与雾滴的相互作用，从而在不需要精细结构的情况下，大大提高集雾效率。

研究成果所展示的空气动金字塔形剪纸集水器机构，是由一种特殊的全局结构控制的。它适用于各种基材，并在选定的规模下工作良好。

从应用的角度来看，空气动力学辅助的空金字塔剪纸集水器不仅可以为人们提供一种制备水资源的方式，还可以节约生产成本，摆脱对基础设施的依赖。(综合报道)(编辑/晓雯)