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Acoustic Tweezer-Modulated Biomimetic Patterned Particle-Polymer Composite for Water Vapor Harvesting
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2022-09-21 , DOI: 10.1021/acsami.2c09280 M Shahriar 1 , Yu Hui Lui 1 , Bowei Zhang 2 , Ketki Lichade 3 , Yayue Pan 3 , Shan Hu 1
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2022-09-21 , DOI: 10.1021/acsami.2c09280 M Shahriar 1 , Yu Hui Lui 1 , Bowei Zhang 2 , Ketki Lichade 3 , Yayue Pan 3 , Shan Hu 1
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With the recent threat of climate change and global warming, ensuring access to safe drinking water is a great challenge in many areas worldwide. Designing functional materials for capturing water from natural resources like fog and mist has become one of the key research areas to maximize the production of clean water. From this aspect, nature is a great source for designing bioinspired functional materials as some of the plant leaves and animal exoskeletons can harness water and then store it to save themselves from arid, xeric conditions. Inspired by the Stenocara beetle, we have designed a composite surface structure with periodic islands made of aluminum microparticles surrounded by poly(dimethylenesiloxane) (PDMS). An acoustic tweezer-based method was used to fabricate the bioinspired composite structures, where surface acoustic waves at specific frequencies and amplitudes are applied to align the microparticles as islands in the polymer matrix. An oxygen plasma etching step was applied to expose the microparticles on the PDMS surface. The average water harvesting efficiencies for structures made with 120 and 80 kHz acoustic frequencies and 1 hour etching time were found to be 9.41 and 8.84 g cm–2 h–1, respectively. The acoustically patterned biomimetic composite surface showed higher water harvesting efficiency compared with completely hydrophobic PDMS and hydrophilic aluminum surfaces, demonstrating the advantages of the bioinspired composite material design and acoustic-assisted manufacturing technique. The biomimetic fog water harvesting material is a promising avenue to fulfill the demand for a cost-effective, sustainable, and energy-efficient solution to safe drinking water.
中文翻译：
用于水蒸气收集的声学镊子调制仿生图案化粒子聚合物复合材料
随着近期气候变化和全球变暖的威胁，确保获得安全饮用水是全球许多地区面临的巨大挑战。设计用于从雾和雾等自然资源中捕获水的功能材料已成为最大限度地生产清洁水的关键研究领域之一。从这个方面来看，大自然是设计仿生功能材料的重要来源，因为一些植物叶子和动物外骨骼可以利用水，然后将其储存起来，以使其免受干旱、干旱条件的影响。灵感来自Stenocara甲虫，我们设计了一种复合表面结构，具有由聚（二甲基硅氧烷）（PDMS）包围的铝微粒制成的周期性岛。基于声学镊子的方法用于制造仿生复合结构，其中应用特定频率和振幅的表面声波将微粒排列为聚合物基质中的岛。应用氧等离子体蚀刻步骤以暴露PDMS表面上的微粒。发现用 120 和 80 kHz 声频和 1 小时蚀刻时间制成的结构的平均集水效率为 9.41 和 8.84 g cm –2 h –1， 分别。与完全疏水的 PDMS 和亲水的铝表面相比，声学图案仿生复合材料表面显示出更高的集水效率，展示了仿生复合材料设计和声学辅助制造技术的优势。仿生雾水收集材料是满足对安全饮用水的成本效益、可持续和节能解决方案的需求的有希望的途径。
更新日期：2022-09-21
中文翻译：
用于水蒸气收集的声学镊子调制仿生图案化粒子聚合物复合材料
随着近期气候变化和全球变暖的威胁，确保获得安全饮用水是全球许多地区面临的巨大挑战。设计用于从雾和雾等自然资源中捕获水的功能材料已成为最大限度地生产清洁水的关键研究领域之一。从这个方面来看，大自然是设计仿生功能材料的重要来源，因为一些植物叶子和动物外骨骼可以利用水，然后将其储存起来，以使其免受干旱、干旱条件的影响。灵感来自Stenocara甲虫，我们设计了一种复合表面结构，具有由聚（二甲基硅氧烷）（PDMS）包围的铝微粒制成的周期性岛。基于声学镊子的方法用于制造仿生复合结构，其中应用特定频率和振幅的表面声波将微粒排列为聚合物基质中的岛。应用氧等离子体蚀刻步骤以暴露PDMS表面上的微粒。发现用 120 和 80 kHz 声频和 1 小时蚀刻时间制成的结构的平均集水效率为 9.41 和 8.84 g cm –2 h –1， 分别。与完全疏水的 PDMS 和亲水的铝表面相比，声学图案仿生复合材料表面显示出更高的集水效率，展示了仿生复合材料设计和声学辅助制造技术的优势。仿生雾水收集材料是满足对安全饮用水的成本效益、可持续和节能解决方案的需求的有希望的途径。
京公网安备 11010802027423号