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Superhydrophilic–Superhydrophobic Water Harvester Inspired by Wetting Property of Cactus Stem

超亲水性 材料科学 润湿 吸水率 生物高聚物 吸收(声学) 水运 仙人掌 化学工程 复合材料 纳米技术 聚合物 环境工程 环境科学 植物 水流 工程类 生物
作者
Sang Joon Lee,Nami Ha,Hyejeong Kim
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:7 (12): 10561-10569 被引量:83
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.9b01113
摘要

Water harvesting is a core technology for collecting fresh water in arid areas. In this study, we design a three-dimensional cactus stem-inspired water harvesting system (WHS) with directional transport of absorbed fog. The bioinspired WHS consists of two distinct functions. One is an effective water-absorbing function with an antievaporating feature, and the other is an on-demand water-releasing function. The excellent water absorption capability of a mucilage-filled cactus stem covered with a cuticle is mimicked by a cylindrical double structural system (DS) comprising an interpenetrating polymer network (IPN) hydrogel with good water retention capacity and a superhydrophobic copper mesh (SHPM) that prevents the re-evaporation of absorbed water. DS harvests water at a rate of 209 mg cm–2 h–1 and exhibits enhanced water collecting performance, i.e., 1.2, 1.3, and 2 times higher than that of the superhydrophilic IPN hydrogel, SHPM, and pristine copper mesh (PTM), respectively. The detailed fog harvesting mechanism of DS is examined through an X-ray imaging technique, and the water harvesting mechanism is described in terms of volumetric expansion of IPN hydrogel, absorption of microdroplets on mesh humps, and thickness of the water-film between mesh fibers. In addition, the function of water release is demonstrated with the aid of the thermoresponsive property of the IPN hydrogel. This biomimetic WHS may aid in developing effective three-dimensional plant-inspired fog collectors.
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