2025年全球约有18亿人面临水资源短缺问题，已对粮食、能源与健康链条构成系统性挑战，开发高效雾水收集材料对缓解淡水危机、实现可持续发展具有重要意义。然而，传统亲疏水图案化表面难以同步优化成核密度与脱附速率，导致收集效率较低。因此，设计并制备能在纳米尺度协同“捕获—运输—脱离”的雾水收集材料，仍是当前科学界与产业界亟待突破的核心难题。
近期，东华大学蔡再生教授团队在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Molecularly Copper-Coordinated Cellulose Heterogeneous Wettability Surface Induced Efficient Fog Harvesting”的研究成果。 该研究基于纤维素分子改性的策略，通过铜离子与纳米纤维的协同作用及掩模辅助喷涂，成功制备了高极性纤维素异质润湿性表面（CWF-Cu）。该织物集水效率达2672 mg/（cm²·h），较传统疏水材料提升70%，为高效雾收集技术开辟了新路径，亦为缓解淡水资源短缺提供了有效方案。 棉纤维亲水且易功能化，于制备的棉纤维（PC）中引入Cu²⁺后，棉-铜（CT-Cu）织物兼具高极性与疏水表面（图1a）。高极性促进水滴成核，疏水通道加速输运，协同提升雾收集效率。图1b显示，CT-Cu织物通过氢键和静电作用锚固水分子，自大气中高效捕获水分。图1c表明，CWF-Cu表面的SiO₂纳米颗粒进一步降低成核能垒；当雾滴长至临界尺寸时，重力与润湿梯度共同驱动其迅速脱落，实现连续集水。 图1 雾收集装置的设计和原理 为赋予织物高效雾收集性能，在棉纤维中引入Cu²⁺，构筑兼具高极性与疏水性的CT-Cu织物（图2a）。XRD、FTIR、XPS等多尺度表征（图2b-h）证实，Cu(II)与纤维素羟基配位，诱导晶格畸变并降低表面-OH密度。随反应时间延长，接触角由104°增至124°（图2i），疏水性增强的同时保持高极性微区，实现成核-传输协同，雾水收集效率显著提升。 图2 CT-Cu织物的制备与表征 雾水收集效率由“捕获”与“传输”两步共同决定：亲水位点诱导微滴成核，疏水通道降低黏附，二者空间协同即可实现高速循环（图3a-e）。CWF-Cu表面即据此设计，雾滴快速汇聚成水珠并达到临界尺寸，最终克服重力快速滑落（图3f-h）。 图3 CWF-Cu织物的雾水收集机理 CT-Cu织物降低了水对-OH的溶解性，有助于形成更稳定的纤维素分子网络；同时，Cu（II）与纤维素分子的π-d共轭作用导致电子云膨胀，增强了分子极性，显著促进微滴成核（图4a-e）。当织物表面呈现高电位和接触角时，不仅会对雾滴产生相互作用力，促进雾滴捕获，还能在水滴达到临界尺寸时快速传输，整体收集效率大幅提升（图4f-h）。 图4 CWF-Cu织物的雾水收集机理 雾水收集测试显示，CWF-Cu织物表现出良好的集水能力，水收集速率（WCR）达2672 mg/(cm²·h)。此外，该织物还展现出稳定的抗水冲刷与抗污染性能，同时具有良好的机械强度和抗紫外线性能（图5）。 图5 雾收集性能评估 在户外测试表明，CWF-Cu织物能够持续高效捕集雾水，所得淡水可直接用于农业灌溉与现场实验（图6）。 图6 雾收集应用测试 综上所述，该工作构筑异质润湿CWF-Cu表面：以分子功能化耦合掩模喷雾，同步提升极性与疏水性，实现雾水高效捕集—定向传输—快速脱落的全流程强化，并抑制二次蒸发。织物兼具优异机械强度与抗紫外老化性能，户外验证所得淡水可直接用于作物灌溉，为缓解水资源短缺提供了可扩展、低能耗的新途径。
