地球表面绝大多数的面积都由水资源覆盖。然而，这些水资源中的，淡水总量约占地球总水量的2.8%。这么有限的淡水资源，以液态，气态和固态的形式存在于陆地上的冰川、地下水、地表水和水蒸汽中，这其中可供利用的部分非常稀少。而且，这些淡水资源，特别是冰川、地下水和地表水在陆地上的分布极不均衡，导致地球表面仍然存在着很多干旱地区，使得人类难以生存。如何解决偏远地区和旱区的生活用水问题具有非常广泛和普适性的价值。空气中蕴含有大量未被利用的水资源，即使在偏远地区和干旱的沙漠中也含有大量的水蒸气，将空气中的水蒸气就地收集成水，不仅能节约了大量的劳力和能源成本，也能在地域上具有广泛的普适性。另外，水蒸气不含各种杂志和细菌，经过收集之后几乎无需任何净化和灭菌工艺，即可达到可供饮用的标准。再者，在机场周边区域，空气中的雾气采集和去除还能降低雾气对于飞机起降的影响。

自然界中的很多生命体在极端干旱的环境下仍然能够生存和繁衍。为了解决旱区的淡水问题，研究人员师法自然，从自然界生物中学习空气中集水的本领。在自然界中，已经发现有多种动植物和昆虫具有集水本领。仙人掌具有极强的耐旱性，是因为仙人掌表面上成簇分布的亲水性圆锥棘结构可以捕获空气中的水汽，并且将逐渐合并变大的液滴定向地移动至芒刺簇地根部被仙人掌所吸收。沙漠甲虫可以在沙漠中生存和繁衍，是因为沙漠甲虫的背部具有超亲水和超疏水区域相间排布的凸面结构，凸面上的亲水区域可以捕获空气中的水汽，随着水汽的增大和相邻亲水区小水滴的合并过程，最终水滴会大到其重力足以克服昆虫背部凸面上亲水区域对水滴的附着力，使得水滴沿着凸面滚落被昆虫取用。蜘蛛在空中织网而身居其中，也是靠着蜘蛛网丝上规律排列的纺锤节结构来捕获空气中的雾气，捕获的雾气在通过不断地长大和融合，最终提供蜘蛛生存所需的水分。

空气中的水收集，一是与空气中的水蒸气的含量有关，另外就是与所设计的材料表面的物理化学性质有关。空气的相对湿度越高则越有利于水份的收集，甚至很多普通生活用品，如玻璃等，在极高的湿度是都可以观察到水分的凝结。另外，空气中的水分的存在形式和大小也可能影响材料的收集能力，当空气中的水分全部以气态水蒸气的形式存在时，往往较难捕获，需要对材料表面结构和表面成分进行特殊的设计。当空气中的水分以液态雾气和小水滴的形式存在时(1~100μm)，随着小水滴直径的增大，材料表界面对水汽的捕获能力也会有一定程度的增强。但是，在淡水资源稀缺的地区，空气中的湿度往往很低，这就要求对集水材料的结构和表面化学组成进行特殊的设计来实现水收集的性能。例如，我们可以通过增加材料的水分捕获能力、促进定向输送、抑制集水蒸发、提高多孔骨架的吸附能力等措施来提高集水效率, 同时我们也需要考虑降低解吸温度, 增加太阳能热吸附剂的光谱吸收,大规模生产能力、生物毒性和成本。

图：自然界与人工制备的一些典型集水材料和系统

近日，深圳大学化学与环境工程学院周学昌教授和王奔博士,联合湖北大学郭志光教授，中科院兰州化学物理所刘维民院士，在《Nano Today》(影响因子：20，中科院JCR 1区，TOP期刊)上发表了题为”Recent advances in atmosphere water harvesting: Design principle, materials, devices, and applications”的综述，在这篇综述中，基于对结构和表面化学成分的合理设计，总结了集水材料开发的最新进展。介绍了这些集水过程的机制和影响因素。基于开发的材料，介绍了集水装置和系统，包括非耗能集水系统、太阳能供能集水系统、其他外部耗能集水系统。 作者们也讨论了用于农业应用的新兴空气集水灌溉系统。 最后，作者们讨论了集水材料/装置目前还存在的问题、挑战和未来的研究方向。

(图片来源：nano today官网)

该文章第一作者为深圳大学助理教授王奔，共同通讯作者为深圳大学周学昌教授，湖北大学郭志光教授，兰州化物所刘维民院士。