——　第二部分 国家自然科学基金项目成果巡礼　——

　　中国科学院化学所及北航的科研人员继在世界上首次发现蜘蛛丝方向性集水（Nature 463: 640-643，2010）之后，在连续高效雾水收集方面又取得新突破。受沙漠明星植物仙人掌超强耐干旱能力的启发，通过对其结构-功能关系的研究，他们发现仙人掌进化出了一套优于蜘蛛丝的多尺度结构集成及多功能集成的连续雾水收集系统，可以更高效的收集空气中的雾水。该结果以全文的形式发表在《自然》系列杂志《自然通讯》上（Nat. Commun. 3:1247 doi: 10.1038/ncomms2253 (2012)）。对仙人掌连续集雾的实拍图还被选为当期的主题图片（Featured image）进行重点报道，引起了世界范围内同行的广泛关注。这一连续高效雾水收集系统的发现为指导设计制备淡水采集器提供了思路，对农业，工业，军事等领域的发展有重要意义。

　　海水淡化是解决水资源匮乏的有效途径之一。传统的海水脱盐及废水回收二次加工的方法不但设备复杂，而且成本昂贵。雾水收集--将空气中含有的隐性水资源（直径为5-40μm的小液滴）转化为显性的可利用的水资源，简单低耗。但是现有的雾水收集器，如聚丙烯拉歇尔经编纤维网标准雾水收集器，二维平面尼龙网雾水收集器等多依赖于重力将收集到的液滴导走。对重力的强烈依赖不但阻碍了液滴的快速转移进而阻碍了雾水收集的连续性，也增加了液滴重新蒸发的风险。那么收集到集水器上的液滴能否在不借助于重力的情况下持续快速转移到特定部位呢？

　　中国科学院化学研究所江雷研究员和他的团队通过对生长于沙漠的耐旱植物仙人掌（Opuntia microdasys）的研究，发现这种植物经过长期的进化，发展出了独特的结构特征：肥厚多汁的茎上分布有簇状的刺和绒毛。对单根刺的观察表明，刺的前端被定向排列的锥形小刺覆盖，中部被宽度渐变的沟槽覆盖，尾部则由带状结构的绒毛覆盖（见图1）。

　　这一结构的整合导致了在雾水到来的时候，凝结在刺前端的液滴被收集后，经由中部沟槽的输运，被根部的绒毛快速吸收，新生成的表面准备开始下一个雾水凝结-收集-传输-吸收的循环，从而形成了连续的雾水收集。相比较之前在蜘蛛丝上发现的不连续的雾水收集，仙人掌所展现的连续的雾水收集可以更高效的收集水分。这一连续的雾水收集系统的发现在世界上尚属首次。进一步的理论分析认为刺的锥形结构导致产生的拉普拉斯压梯度和沿刺身方向宽度渐变的沟槽导致产生的表面能梯度共同驱动了凝结在刺前端的小液滴向刺根部快速运动（见图2）。另外由于液滴在很小的尺寸下（小于水的毛细长度2.73mm）就被传输走，整个过程中重力的影响基本可以忽略。对仙人掌这一独特生存本领（特殊结构-功能关系）的研究，为设计开发连续高效的雾水收集器提供了新思路，也为缓解世界水资源危机提供了出路，有利于世界范围内农业，工业，以及军事的发展。

　　该研究得到自然科学基金委创新研究群体、重大研究计划、重大国际合作等项目的资助。