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%、97.5%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

研究讨论

本研究的混合润湿表面相比均一表面显著提高了集雾效率，证实了亲水区和疏水区的协同作用。凸包结构最高集雾率364.5 g/m²/h，星形结构表现相近 (五尖星 PP/PC 达366.2 g/m²/h)。然而，星形结构预期的性能增益受到打印分辨率的限制，特别是难以形成最大化拉普拉斯压力梯度所需的尖锐尖端。

与采用光刻等技术的更高精度方法相比，本研究中的 3D 打印 + 等离子体处理方法虽然分辨率有限，但提供了一种成本效益更高的替代方案。未来工作应致力于提高 3D 打印分辨率并引入纳米结构以优化效率。将沟槽与凸包或星形设计相结合，可能通过组合定向运输进一步改善性能。实际户外测试对于验证大规模应用的可行性至关重要。

研究结论

本研究成功优化了一种两步法制备混合润湿表面：结合 FDM 3D 打印与常压等离子体处理。该方法受纳米布沙漠甲虫和仙人掌启发，工艺简便、环保。结果表明，混合润湿表面显著提高了集雾效率。凸包结构最高集水率达364.5 g/m²/h，星形结构表现相近 (五尖星达366.2 g/m²/h)。本研究验证了一种低成本、可扩展的仿生表面制备方法的实用性，为雾收集及相关应用的进一步创新奠定了基础。

原文出自Biomimetics 期刊

Lin, C.-Y.; Teng, T.-A.; Chang, H.-K.; Chen, P.-Y. Desert Beetle-Inspired Hybrid Wettability Surfaces for Fog Collection Fabricated by 3D Printing and Atmospheric Pressure Plasma Treatment. Biomimetics 2025, 10, 143.

Biomimetics期刊介绍

主编：Stanislav N. Gorb, Kiel University, Germany

期刊致力于研究生物体的最基本方面及其特性向人类应用的转移。期刊旨在为材料科学、机械工程、纳米技术和生物医学领域的研究人员和专业人士提供一个平台，通过在工程系统、技术和生物医学中利用生物启发的设计，开发实现可持续创新的解决方案。

2025 Impact Factor：4.2

2025 CiteScore：6.2

Time to First Decision：13.5 Days

Acceptance to Publication：3.5 Days