受沙漠甲虫启发的混合润湿表面：基于3 D打印与常压等离子体处理的集雾应用
受沙漠甲虫启发的混合润湿表面：基于 3D 打印与常压等离子体处理的集雾应用
论文标题：Desert Beetle-Inspired Hybrid Wettability Surfaces for Fog Collection Fabricated by 3D Printing and Atmospheric Pressure Plasma Treatment
论文链接： https://www.mdpi.com/2313-7673/10/3/143
期刊名： Biomimetics
期刊主页： https://www.mdpi.com/journal/biomimetics
文章导读
淡水短缺已成为全球性危机，而从大气中收集雾气是一种环保、低能耗的解决方案。受到纳米布沙漠甲虫和仙人掌的启发，来自 台湾 清华大学的陈柏宇教授团队利用 FDM 3D 打印与常压等离子体技术，成功构建了具有混合润湿特性的仿生表面，显著提升了集雾效率。相关成果发表于 Biomimetics 期刊。
图1. 纳米布沙漠甲虫、仙人掌等生物的集雾策略示意图
• 向自然学习集雾
人类可直接利用的淡水资源仅占全球水资源的2.5%。雾气收集作为一种潜在的解决方案，近年来受到广泛关注。自然界中，许多生物已经进化出高效的集雾策略：纳米布沙漠甲虫的鞘翅上分布着亲水性突起和疏水性背景，雾气在亲水点凝结并最终被输送到口器；仙人掌则依靠锥形刺产生的拉普拉斯压力梯度，将水滴从尖端定向输送到基部。研究者据此设计了结合亲疏水区域的混合润湿表面，以期提高集雾效率。
研究内容
• 材料与方法：3D 打印 + 常压等离子体处理
图2. 六种材料等离子处理前后的接触角变化柱状图
研究采用 FDM 双喷头 3D 打印机，以聚丙烯 (PP，疏水) 和聚碳酸酯 (PC，亲水) 为原料，设计并打印了三种结构阵列：甲虫启发的“凸包结构”、三尖星结构和五尖星结构。所有样品尺寸为32 mm × 32 mm，结构呈5 × 5阵列。
随后，使用常压等离子体 (APP) 对样品表面进行处理。结果显示：PP 在处理后仍保持疏水性 (接触角93.3°)，而 PC 则转变为超亲水 (接触角3.2°)。FTIR 和 XPS 分析证实，PC 表面引入了羟基等含氧官能团，使其润湿性发生显著变化。
• 凸包结构：设计与精度验证
图3 (a). 凸包结构设计图
图3 (b). 激光共聚焦显微镜实测图像
凸包结构设计参数为：直径4 mm，中心间距6 mm，高度2 mm。激光共聚焦显微镜实测结果显示，直径、间距和高度的打印精度分别达到98.5%、9 7.5 %和96.7%，验证了 FDM 3D 打印工艺在构建仿生结构方面的高可靠性。
图4：凸包结构集雾率柱状图
集雾测试结果表明：混合润湿样品 (PC/PP和PP/PC) 显著优于均一润湿样品 (PP和PC)。其中，超亲水 PC 凸包/疏水 PP 基底 (PC/PP) 的集雾率最高，达364.5 g/m²/h，显著高于纯 PP (215.4) 和纯 PC (264.2)。
机理分析表明：纯 PP 表面水滴易被钉扎，运输效率低；纯 PC 表面水膜排水缓慢；而混合润湿表面中，疏水区促进水滴成核与生长，亲水基底提供快速运输通道。其中，疏水凸包/亲水基底 (PP/PC) 结构最为高效——疏水凸包上的水滴滚落并与亲水基底上的水膜合并，利用润湿性梯度实现连续快速运输。
• 星形结构：引入拉普拉斯压力梯度
图5：三尖星结构集雾率柱状图
图6：五尖星结构集雾率柱状图
三尖星和五尖星结构的设计旨在利用尖角产生的拉普拉斯压力梯度，进一步促进水滴定向运输。集雾测试结果如下：
三尖星结构：疏水 PP 星/超亲水 PC 基底 (PP/PC) 组合集雾率为341.6 g/m²/h，显著高于纯 PP (207.3) 和纯 PC (238.8)。
五尖星结构：同组合集雾率达366.2 g/m²/h，为所有样品中最高。
混合润湿表面在星形结构中同样表现优异。疏水星形结构利用尖角产生的拉普拉斯压力梯度，结合与超亲水基底之间的润湿性差异，实现了更高效的水滴定向运输。
图7：凸包、三尖星、五尖星结构集雾率汇总柱状图
三种结构的对比分析表明：
混合润湿表面在所有结构中均表现优异，润湿性梯度促进了快速水运输。
疏水 PP 样品的集雾性能受顶部平面面积影响；超亲水 PC 及亲水图案样品则受图案面积影响。
尽管星形结构理论上可通过尖角增强拉普拉斯压力梯度，但因 3D 打印分辨率限制 (尖端轮廓精度约80-83%)，实际集雾性能与凸包结构相近。作者指出，若能进一步提升打印精度或引入纳米结构，星形结构的潜力将被更好释放。
表1. 三种结构的表面积数据