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可從空氣中高效集水的新仿生表面

本篇介紹納米布沙漠甲蟲的翅鞘特殊結構和仙人掌的尖刺及莖,皆能從空氣中收集水分,而仿生豬籠草的注液光滑多孔表面具良好集水功效,仿生這三種生物開發的超滑不對稱圓凸表面,可從空氣中高效集水,解決乾旱缺水問題
 
 
 
收集空氣中的水,面臨的主要挑戰是如何控制水滴大小、形成速度及其流向。特別是在炎熱的乾旱地區,從空氣中收集的冷凝水滴落速度必須比蒸發速度快,因此水滴的快速生長和傳輸是重要關鍵。美國哈佛大學工程與應用科學學院和韋斯生物啟發工程研究所(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)研究團隊今(2016)年3月已發表一種仿生「超滑不對稱圓凸」(slippery asymmetric bumps)表面,具比現有空氣集水材料高6倍的集水效率,能在更短時間內從空氣中收集和運輸更大的水量。

新仿生表面結合納米布沙漠甲蟲(Namib desert beetles)、仙人掌和豬籠草三類生物特性,設計出一種高性能仿生機制定量模型,可整合及增加現有空氣集水系統的效益。研究團隊將薄鋁片利用3D列印聚合物模板製成圓凸(bumps)形、矩形和平面等形狀試驗,又比較圓凸形表面與具奈米結構的疏水平坦表面的效果,測試結果證明圓凸形表面具有最高的凝水功效。
這項技術未來可成為從含水空氣中收集水分的重要解決方案,汲取空氣中蘊含卻未被利用的近15萬億升水,開發更有效的集水無源系統,從空氣中獲取水分飲用或灌溉、引導流入水庫系統、應用於工業熱交換器等相變化導熱(phase-change heat-transfer)等,解決隨著氣候日益乾旱導致的缺水困境;甚或在多霧乾旱地區,收集霧水還可減少對機場飛機起降的影響。

納米布沙漠甲蟲(Namib Desert beetle)屬於鞘翅目(Coleoptera)擬步行蟲科(Tenebrionidae),包括Onymacris laevicepsO. unguicularisPhysasterna cribripesStenocara gracilipes等數種,生活於非洲西南海岸納米布沙漠,演化出在乾旱地區從潮濕空氣中獲取水分的特殊本領。以體長約1.5公分的P. cribripes為例,稱為「翅鞘」(Elytra)的特化堅硬前翅就像一個充滿許多不對稱圓凸的殼,覆蓋後翅和腹部,每個圓凸直徑約0.5mm,高約0.4mm,頂端具親水性;各圓凸間距約0.5-1.5mm,圓凸間的斜坡和低谷覆蓋一層疏水性蠟質。當棲地充滿霧氣或因日夜溫差可能結露時,沙漠甲蟲會爬上沙丘,利用一種特稱為「沐霧」(fog-basking)的行為攝取水分,身體以45度角對準風向、曝露於濕氣中,約十分鐘翅鞘表面就會形成直徑約1-40µm的微水滴,順著疏水性斜坡向下、經過胸部和頭部而滾滑到口中,科學家認為甲蟲的翅鞘表面結構結合此行為模式才能有效從空氣中集水。

能在乾旱和沙漠地區存活的仙人掌科(Cactaceae)植物,最大特徵是葉片特化成短刺狀,以減少水分蒸發和流失,透過尖刺(spines)和莖收集空氣中的霧氣或露水利用。例如白烏帽子仙人掌(Opuntia microdasys)的表面就覆蓋著微米和奈米級結構,莖上有許多排列整齊的成簇針狀尖刺和毛狀體(trichomes),各毛狀體間距約7-23mm,一個毛狀體約含100根尖刺,每根尖刺類似錐形,直徑約30-65µm,長度約800-2,500µm,由頂端到底部有由窄變寬的多層次梯度凹槽(gradient grooves),尖刺頂端有尖角和環狀生長的定向倒鉤(oriented barbs),底部是帶狀結構的毛狀體。潮濕空氣中的水氣最初會在尖刺的倒鉤上凝結沈積成微水滴,因表面自由能梯度(Surface-Free Energy,指表面上自由能的量會隨著表面積增加而增加,因而產生的能量差)和拉普拉斯壓力梯度(Laplace Pressure,指表面內部和外部間的壓力差)而聚集成越接近底部越大的水滴,而尖刺的不對稱表面結構和梯度凹槽讓水滴單向滾動和擴展,迫使水滴違反地心引力、從每個尖刺的尖端沿著梯度凹槽、定向移動到底部的毛狀體,半秒內即被莖吸收。黑王丸仙人掌(Copiapoa cinerea)一個晚上每平方公尺最多可收集到0.72±0.006公升的露水,可證這種表面結構形成有效的水分收集系統。

肉食性豬籠草屬(Nepenthes)植物的葉片特化成捕蟲籠,籠口唇部具有特殊多層次結構的超親水性表面,分泌的蜜汁與大雨或露水結合形成濕潤光滑的液膜,使被誘來的昆蟲很容易從唇部邊緣滑落到底部的消化液,成為豬籠草的食物。2011年研究團隊即曾仿生二齒豬籠草(Nepenthes bicalcarata),開發出「注液光滑多孔表面」(slippery liquid-infused porous surfaces,簡稱SLIPS),具有極端的液滴移動性和滑落、形成優異的熱接觸,因此擁有最小液滴體積的冷凝滴落、導致高冷凝效率的特性,具良好集水功效。

由於沙漠甲蟲的沐霧行為在特定角度才能集水,因此研究團隊結合仙人掌結構,讓凝集的水滴可定向輸送,加快集水效率。經試驗得知,仿生表面的不對稱圓凸曲率半徑越小,凝結的微水滴直徑越大;當微水滴定向移動時,圓凸起和不對稱性的組合促使微水滴在脫落路徑上聚集、且更快增長,促使微水滴因圓凸起的不對稱坡度所致毛細管力間的相互作用及表面自由能的增加,被引導朝向底部更寬的區域移動、加速脫落,更加快重新集水過程的循環。這款新仿生新表面使用礦物油製造SLIPS奈米塗層,讓表面零磨擦、具自我修復功能,完成結合三種生物優點的仿生超滑超滑不對稱圓凸表面,可在更短時間內收集和運輸更多水量,因而建立高性能仿生機制定量模型,應用時可根據需求改變仿生材質和圓凸曲率等條件。此新技術還可改善目前如Airdrop灌溉系統水泵、非洲集霧用薄膜、自動蓄水水壺、渴不死背包、戶外運動用自動蓄水水瓶、各種材料及塗層等利用超親水和疏水原理從空氣中集水的既有商品,有效增加集水功效。(以上新聞編譯自2016年3月3日發行之Nature期刊等)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
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