3D打印所帶來的蜘蛛絲上紡錘體設(shè)計(jì)的自由性和可控性，為探究不同紡錘體形狀對于集水性能的影響提供了可能。具體研究內(nèi)容如下：

一、不同紡錘體形狀對集水性能的影響

設(shè)計(jì)了三種紡錘體形狀，分別為“橢球狀”“尖頂狀”以及“凸臺狀”。從霧氣捕集的集水量來看，尖頂狀的蜘蛛網(wǎng)集水量較于橢球狀的集水量，效率提升了10%，凸臺紡錘體的集水性能最差。

原因在于：尖頂狀的紡錘體頂端的尖角曲率更大，而橢球狀的頂端較為平滑。所以尖頂紡錘體的拉普拉斯壓力大于橢球狀紡錘體，尖頂上方的擴(kuò)散通量也要大于平滑的橢球狀和凸臺狀紡錘體。當(dāng)霧氣在經(jīng)過這兩種形狀的紡錘體時(shí)，更容易在擴(kuò)散通量大的尖頂紡錘體上凝結(jié)成小水滴。小水滴凝結(jié)的速度越快，使得小水滴匯聚的量變大，加速了懸掛液滴滴落的時(shí)間，從而集水效率隨之升高。

二、連接絲曲率優(yōu)化對集水性能的影響

傳統(tǒng)制備的仿生蜘蛛絲上的集水區(qū)域只發(fā)生在紡錘體以及紡錘體與絲的連接處。紡錘體曲率的變化產(chǎn)生的拉普拉斯壓力，以及連接處與紡錘體上的粗糙度變化產(chǎn)生的表面自由能梯度兩種驅(qū)動力使小液滴運(yùn)輸匯聚。但是，粘附在關(guān)節(jié)中間位置處的小液滴不能快速有效的運(yùn)輸，在一定程度上限制了小液滴的傳輸效率。

為此，對相鄰紡錘體之間的連接絲做了具有曲率變化的處理，大紡錘體處連接絲的截面直徑大于小紡錘體處連接絲的截面直徑。在滿足上文中實(shí)驗(yàn)得出的多尺寸紡錘體的集水效果較優(yōu)的情況下，對連接絲進(jìn)行曲率優(yōu)化處理。

從集水量來看，曲率優(yōu)化后的蜘蛛網(wǎng)集水量達(dá)到3.92 g，相較于優(yōu)化前的蜘蛛網(wǎng)，集水效率提升了65%。因?yàn)檎掣皆谶B接絲上的小液滴沒有表面能梯度的變化，無法向紡錘體處匯聚。在對連接絲進(jìn)行曲率優(yōu)化后，小紡錘體一側(cè)的連接處的曲率更大，拉普拉斯力越大；大紡錘體一側(cè)的連接處的曲率較小，拉普拉斯力較小。兩側(cè)形成的拉普拉斯壓力差驅(qū)使小紡錘體處的小液滴向著大紡錘體移動。這樣整段蜘蛛絲（紡錘體、連接絲）上的所有小液滴都會受力運(yùn)動，加快了小液滴的運(yùn)輸，縮短懸掛液滴滴落的時(shí)間，導(dǎo)致集水效率的提高。

三、非對稱紡錘體設(shè)計(jì)設(shè)想

目前只考慮在蜘蛛網(wǎng)紡錘體左右對稱的情況下，對紡錘體的形狀做出改變。由此考慮，如果以紡錘體的中間為界限，設(shè)計(jì)出兩邊不同形狀的紡錘體，是否可以讓紡錘體的最上端在捕集霧氣、凝結(jié)形成小水珠的時(shí)候，因?yàn)樽笥覂蛇呅螤畹牟町悾沟眯∫旱我婚_始會自發(fā)的從紡錘體的一邊移動到另外一邊。這樣可以更快的使得從紡錘體與連接絲處的小水珠以及曲率優(yōu)化后的連接絲上的小水珠，兩個(gè)方向運(yùn)輸來的小水珠進(jìn)行匯聚，進(jìn)一步縮短大液滴匯聚的時(shí)間，加快懸掛液滴滴落的速率。

四、不同表面結(jié)構(gòu)對集水性能的影響

蜘蛛絲上紡錘體因?yàn)榇植诙鹊淖兓a(chǎn)生的表面自由能梯度而產(chǎn)生驅(qū)動力，所以蜘蛛絲表面結(jié)構(gòu)也影響著集水性能。采用等離子清洗生成親水表面，以及硅烷處理產(chǎn)生疏水表面兩種方法，探究不同的表面結(jié)構(gòu)對集水效率的影響。對半凸半凹弧蜘蛛網(wǎng)進(jìn)行親水、疏水處理，從霧氣捕集的集水量來看，親水表面的蜘蛛絲集水性能更優(yōu)，相較于疏水表面，集水效率提升了58%。

原因在于：蜘蛛絲上的水運(yùn)輸需要在關(guān)節(jié)處以及紡錘體上粘附很多的微小液滴，從而發(fā)生運(yùn)輸匯聚。疏水表面的小液珠接觸角大，懸掛時(shí)的TCL長度非常短，在運(yùn)輸過程中，容易滴落，很難匯聚成大液滴。而親水表面會使小液滴粘附在蜘蛛絲的表面，形成一層水膜，會加快液滴的運(yùn)輸速度，從而提升了集水量。

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