一种集吸水自输运和渗透于一体的仿生叶片的制作方法

本发明属于土壤基质离子浓度在线检测领域，具体涉及一种集吸水自输运和渗透于一体的仿生叶片，在无源条件下收集空气水分，为土壤离子浓度在线检测传感器周围形成离子微溶液补充水分。

背景技术：

对土壤基质离子浓度的在线检测是实现栽培自动化智能化的关键之一。由于土壤颗粒松散、间隙大，组分、水分变化大等原因，使得测量电极周围水分不足，难以形成离子溶液，从而导致测量的准确性差。此外，土壤基质离子浓度的在线检测对整体的能耗和水分来源有更高的要求：能够在低功耗甚至不供能的条件下实现水分的收集；能够保证水分来源稳定，水量充足。因此，研究开发新型水分收集装置，收集空气中的水分对于土壤离子浓度在线检测的意义重大。

收集空气中水分的方法主要分为有源和无源两种。有源方法的能够快速冷凝出水滴，不受环境等因素的干扰，但功耗很高。无源方法可以收集空气中的水分，但效率较低，收集时间很长。在自然条件下，环境温度低于露点温度或空气中湿度较大时，空气中水分过饱和，部分可转化为液态水，如晚间和清晨形成的露水。根据这一现象，人们提出了许多集水方法，例如申请号为201710643696.3的发明专利“一种倒金字塔式大气降露水采集装置”公开了一种利用昼夜温差在聚四氟乙烯膜上凝结出露水，并转移到收集容器中的集水方法。但由于聚四氟乙烯是一种疏水性较好的材料，对露水的收集完全依靠温差凝结出露水，这样集水效率较低。

综上，目前在无源条件下对空气中水分的收集中，水蒸气的凝结效率低，液滴的自输运效果差等问题尚未得到有效的解决。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提出一种集吸水自输运和渗透于一体的仿生叶片，能够吸附空气中的水雾，自输运到一定区域，并渗透到内部便于储存，可以为土壤基质离子浓度在线检测进行补水，也可以用于对植物生长补充水分。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种集吸水自输运和渗透于一体的仿生叶片，包括吸附自输运层、基底、渗透层和叶柄；

所述吸附自输运层设置在基底上方，所述叶柄设置在基底下方，所述渗透层设置在整个仿生叶片的中心处，贯穿吸附自输运层、基底和叶柄内的上部，且与叶柄下部的微通道连通；

所述吸附自输运层包括亲水表面、超疏水轨道和微疏水点，亲水表面的中心处开通孔，所述渗透层设置在所述通孔中；所述通孔的圆周设有多个超疏水轨道和微疏水点，所述超疏水轨道包括第三级梯度通道，所述第三级梯度通道的两侧设有多组第二级梯度通道，所述第二级梯度通道上设有多个第一级梯度通道；所述第一级梯度通道与第二级梯度通道具有夹角，第一级梯度通道与第三级梯度通道的中心线平行。

上述方案中，所述亲水表面设有凸起和凹坑微观结构。

上述方案中，所述第一级梯度通道的中心长度l1为0.8～1.5mm，宽度w1为0.06～0.2mm，深度h1为0.04～0.09mm，第二级梯度通道的中心长度l2为0.8～1.5mm，宽度w2为0.1～0.25mm，深度h2为0.04～0.09mm，第三级梯度通道的中心长度l3为5～10mm，宽度w3为0.3～0.9mm，深度h3为0.04～0.09mm。基于以上参数，可以使3μl～5μl(根据接触角测量的要求)的小液滴在疏水轨道上处于cassie-wenzel润湿状态，在该润湿性状态下，更有利于液滴自输运。

上述方案中，所述第一级梯度、第二级梯度和第三级梯度内分别设有多个凹槽，所述第一级梯度内的凹槽与第二级梯度内的凹槽连通，所述第二级梯度内的凹槽与第三级梯度内的凹槽连通。

进一步的，所述第一级梯度内设有三个大小相等的凹槽，所述第二级梯度内设有三个大小相等的凹槽，所述第三级梯度内设有五个大小相等的凹槽。

上述方案中，所述第一级梯度通道与第二级梯度通道的夹角为55°到65°，使第一级梯度通道上液体能够自然、顺畅地流入第二级通道中。

上述方案中，所述微疏水点为半球形。

上述方案中，所述微疏水点成列分布在第二级梯度附近、且与第二级梯度中心线平行排列，每列的微疏水点之间间距相等。

上述方案中，所述吸附自输运层和基底向上弯曲。

上述方案中，所述渗透层为多孔介质材料制成；所述多孔材料为pva基超疏水多孔材料，孔径大小为2.5μm～20μm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结合仿生结构、多孔材料与飞秒激光加工的方法，制作仿生叶片；仿生叶片吸附自输运层采用了亲水性均匀的铝制亲水表面、半球状微凹槽的微疏水点与具有三级梯度楔形微结构的超疏水轨道三合一的方式，通过亲水表面和微疏水点综合作用，提高仿生叶片表面对空气中水分的吸附能力，利用超疏水轨道使液滴及时、快速地自输运运输液滴，减少液滴在叶片表面的滞留时间；此外，通过多孔渗透层保证了液滴在较细的叶柄内微通道内流动，同时防止微通道由于杂质进入而堵塞。本发明仿生叶片通过吸附、自输运和渗透同步进行，解决了水分收集效率低的问题，在无源条件下实现对空气水分的收集，具有节约能源、制备简单、集水效率高、结构新颖等特点。

附图说明

图1为本发明一实施方式的集吸水自输运和渗透于一体的仿生叶片主视图；

图2为本发明一实施方式的集吸水自输运和渗透于一体的仿生叶片俯视图；

图3为本发明一实施方式的集吸水自输运和渗透于一体的仿生叶片超疏水轨道12放大图；

图4为本发明一实施方式的仿生叶片超疏水轨道12的第一级梯度121沿a-a方向的剖视图；

图5为本发明一实施方式的仿生叶片超疏水轨道12的第一级梯度122沿b-b方向的剖视图；

图6为本发明一实施方式的仿生叶片超疏水轨道12的第三级梯度123沿c-c方向的剖视图；

图7为本发明一实施方式的仿生叶片微疏水点13的细节放大图。

图中，1、吸附自输运层；11、亲水表面；12、超疏水轨道；13、微疏水点；121、第一级梯度；122、第二级梯度；123、第三级梯度；2、基底；3、渗透层；4、叶柄，41、微通道。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明所述集吸水自输运和渗透于一体的仿生叶片的一种较佳实施方式，所述集吸水自输运和渗透于一体的仿生叶片包括吸附自输运层1、基底2、渗透层3和叶柄4；吸附自输运层1设置在基底2上方，叶柄4设置在基底2下方，渗透层3设置在整个仿生叶片的中心处，贯穿吸附自输运层1、基底2和叶柄4内的上部，且与叶柄4下部的微通道41连通。

如图2所示，所述吸附自输运层1包括亲水表面11、超疏水轨道12和微疏水点13三个部分，亲水表面11的中心处开孔，预留渗透层3的位置，所述渗透层3设置在所述通孔中，所述通孔的圆周设有多个超疏水轨道12和微疏水点13，优选的，所述通孔的圆周设有12个超疏水轨道12，每个超疏水轨道12由三级梯度的楔形微结构组成，每一级梯度的楔形结构内由多个凹槽构成，形成梯度变化的几何结构，并且在拉普拉斯压力和重力等的作用下，液滴的能够以较快的速率自输运。

所述吸附自输运层1制备的具体过程如下：

第一步，将厚度为2mm的铝片切割成直径为30cm的圆，并进行抛光处理，再用去离子水洗去表面杂质，并干燥，再用化学刻蚀法处理，减小整个表面的接触角，从而增加亲水性；

第二步，在中心处打磨，磨去直径为8mm、深度为0.1mm的通孔，为渗透层3预留孔位，同时便于疏水轨道中的液滴流入渗透层3；

第三步，在中心处切割掉直径为6mm的圆柱体，使这个表面具呈圆环状；

第四步，用飞秒激光器在亲水表面11加工具有三级梯度的楔形超疏水轨道12，对超亲水表面11做掩膜处理后，用化学气相沉积法对疏水轨道做改性处理，使其获得超疏水性，得到超疏水轨道12。

本发明中将飞秒激光加工技术与仿生技术结合起来，可以实现对生物表面甚至内部结构的高精度还原及再创造。

如图3所示，所述超疏水轨道12包括第三级梯度通道123，所述第三级梯度通道123的两侧设有多组第二级梯度通道122，所述第二级梯度通道122上设有多个第一级梯度通道121；所述第一级梯度通道121与第二级梯度通道122具有夹角，第一级梯度通道121与第三级梯度通道123的中心线平行。优选的，所述第三级梯度通道123两侧设有8个第二级梯度通道122。所述的第二级梯度通道上设有2到3个第一级梯度通道。

如图3-6所示，优选的，所述第一级梯度通道121的中心长度l1为1mm，宽度w1为0.11mm，深度h1为0.05mm。第二级梯度通道122的中心长度l2为1.1mm，宽度w2为0.13mm，深度h2为0.05mm，与第一梯度通道的夹角为63°。第三级梯度通道123的中心长度l3为8mm，宽度w3为0.4mm，深度h3为0.05mm。第三级梯度通道的中心线与第一级梯度的中心线平行。

所述第一级梯度121、第二级梯度122和第三级梯度123内分别设有多个凹槽，所述第一级梯度121内的凹槽与第二级梯度122内的凹槽连通，所述第二级梯度122内的凹槽与第三级梯度123内的凹槽连通。优选的，如图4所示，所述的第一级梯度121内有三个宽度相等的凹槽，作为液滴的运输通道；如图5所示，所述的第二级梯度122内有三个宽度相等的凹槽，作为液滴的运输通道，其结构与第一级梯度类似。如图6所示，所述的第三级梯度123内有五个凹槽，作为液滴的运输通道。

第五步，所述微疏水点13成列分布在第二级梯度122附近、且与第二级梯度122中心线平行排列，每列的微疏水点13之间间距相等。按图2、图7所示的微疏水点13排列方式，用飞秒激光器在亲水表面11上刻制直径为0.1mm的半球形微疏水点，呈半球状微凹槽，在亲水表面11上沿第二级梯度122分布方向均匀排列。

所述基底2呈圆环状，由氧化铝材料制成，内直径为6mm，厚度为5mm。

所述吸附自输运层1和基底2向上弯曲，曲率半径为63mm，所述吸附自输运层1与基底2通过粘结剂紧密连接。

所述渗透层3由pva超疏水多孔材料制成，孔径大小为2.5μm～20μm，整体呈圆柱体，顶部2mm厚处的直径为8mm，其余部分直径为6mm，厚度为15mm。所述渗透层3通过粘结剂与基底2圆柱形内壁紧密连接。由于多孔材料的孔径大小可以做到微米级甚至纳米级，可以用来过滤一些颗粒直径较大的杂质。

所述叶柄4是由氧化铝材料制成的管状结构，其内直径为6mm，外直径为8mm，长度为20mm。叶柄4上半部分内有渗透层3，下半部分为微通道41。

所述微通道41是空腔，其直径为6mm，长度为10mm，液体可以在其内部自由流动。

本发明一种集吸水自输运和渗透于一体的仿生叶片的工作流程如下：

夜间环境温度降低，环境温度等于或低于露点温度，空气中部分气态水转化为液态的小水滴落在叶片的吸附自输运层1上，部分气态水在叶片表面冷凝形成液态小水滴。在亲水表面11上的小液滴在重力和疏水点的引导下，流向超疏水轨道12。超疏水轨道12上的液滴在重力，拉普拉斯压力等的驱动下，沿第一级梯度121、第二级梯度122、第三级梯度123的方向自输运至叶片中心处的渗透层3，液滴经渗透区域渗入叶柄4中的微通道4.1内再流入储存处。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。