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顯著提升集水性我國(guó)科學(xué)家在仿蛛絲微纖維內(nèi)部構(gòu)建中空結(jié)構(gòu)

2022-05-11 10:07:47 來源：科技日?qǐng)?bào)

孟濤教授團(tuán)隊(duì)通過在仿蛛絲微纖維內(nèi)部構(gòu)建中空結(jié)構(gòu)，讓纖維的集水性得到顯著提升。研究發(fā)現(xiàn)，該仿生微纖維懸掛液滴體積是紡錘節(jié)體積的1663倍，集水能力數(shù)值遠(yuǎn)超出已有文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)值。

淡水資源的短缺已成為制約全球社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海水資源占到了地球上所有水資源的96.54%，淡水資源僅占2.53%，而且只有0.36%的淡水資源能夠被人類直接利用，如何獲取更多的可利用淡水資源，是一個(gè)亟待解決的問題。

近日，國(guó)際化學(xué)領(lǐng)域期刊《材料化學(xué)學(xué)報(bào)》A刊報(bào)道了西南交通大學(xué)孟濤教授團(tuán)隊(duì)的研究成果——利用具有中空連續(xù)通道的仿蜘蛛絲微纖維進(jìn)行高效集水，團(tuán)隊(duì)通過在仿蛛絲微纖維內(nèi)部構(gòu)建中空結(jié)構(gòu)，讓纖維的集水性得到顯著提升，研究發(fā)現(xiàn)，該仿生微纖維懸掛液滴體積是紡錘節(jié)體積的1663倍，集水能力數(shù)值遠(yuǎn)超出已有文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)值。

來自蜘蛛絲纖維結(jié)構(gòu)的啟示

目前，由于水污染和淡水資源缺乏等問題，水資源危機(jī)越來越受到廣泛關(guān)注。由于海水淡化和廢水處理技術(shù)的適用性、簡(jiǎn)便性和成本效益等問題，使得一些地方無法使用這些技術(shù)獲取淡水資源。這些年，各領(lǐng)域的科學(xué)家們?cè)噲D從大自然中獲取靈感，研究仿生集水技術(shù)。

自然界中，大多數(shù)生物都擁有應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境的獨(dú)特本領(lǐng)，經(jīng)過長(zhǎng)期的自然選擇，一些生物已經(jīng)能夠從霧氣中獲得水分供自身生存，這為淡水收集系統(tǒng)中功能仿生材料的設(shè)計(jì)和制造提供了靈感。迄今為止，研究者們已經(jīng)利用納米布沙漠甲蟲的集水機(jī)理、仙人掌的集水機(jī)理以及蜘蛛絲的表面集霧機(jī)理等，開發(fā)出了大量相應(yīng)的仿生集水材料。

雨后的清晨或者潮濕的角落，人們常常可以發(fā)現(xiàn)蜘蛛網(wǎng)上懸掛著大量晶瑩的液滴。研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上，蜘蛛絲有強(qiáng)大的集水功能，而其集水能力歸因于一種獨(dú)特的纖維結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由周期性紡錘節(jié)和關(guān)節(jié)構(gòu)成，其中紡錘節(jié)由隨機(jī)雜亂的納米纖維組成，關(guān)節(jié)則由排列整齊的納米纖維組成。當(dāng)從干燥條件轉(zhuǎn)化為潮濕條件下時(shí)，蜘蛛絲的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生變化出現(xiàn)紡錘節(jié)(可以儲(chǔ)水)。當(dāng)微小的水滴在蜘蛛絲上凝結(jié)后，將在驅(qū)動(dòng)力作用下向紡錘節(jié)方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)集水。

受天然蜘蛛絲啟發(fā)，研究者們計(jì)劃制備模仿蜘蛛絲結(jié)構(gòu)的微纖維，從大氣中收集淡水。但近年來的研究集中在通過調(diào)控纖維表面形貌來提升毛細(xì)作用力，這種方式對(duì)于纖維集水性能提升有限。因此，目前提高微纖維的集水能力仍然是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)。

中空微纖維展現(xiàn)更優(yōu)異集水性能

基于此，西南交通大學(xué)孟濤教授團(tuán)隊(duì)從內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)，探究纖維集水性能的改善方法。在研究過程中，團(tuán)隊(duì)嘗試了油水體系和氣液體系的微流控等技術(shù)，開展了大量實(shí)驗(yàn)，均未達(dá)到理想效果。

最終，研究團(tuán)隊(duì)從細(xì)胞內(nèi)外水相分區(qū)的結(jié)構(gòu)中得到啟發(fā)，使用基于雙水相層流的微流控紡絲技術(shù)，利用了雙水相分區(qū)效應(yīng)的機(jī)理，在界面上快速交聯(lián)形成了纖維，并阻止了后續(xù)物質(zhì)的擴(kuò)散和繼續(xù)反應(yīng)，形成了仿蛛絲中空微纖維。孟濤表示：“我們將仿蛛絲中空微纖維與仿蛛絲實(shí)心微纖維在相同條件下進(jìn)行對(duì)比集水實(shí)驗(yàn)，證明了中空結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了纖維的集水性能，仿蛛絲中空微纖維的集水能力更好更優(yōu)秀。”

為何相比于實(shí)心紡錘節(jié)微纖維，仿蛛絲中空微纖維能展現(xiàn)出更加優(yōu)異的液滴懸掛能力呢?“由于中空通道的存在，延長(zhǎng)了液滴與纖維間的三相接觸線長(zhǎng)度，增強(qiáng)了液滴受到的毛細(xì)作用力，從而提高了纖維懸掛液滴的能力。”孟濤解釋說，液滴懸掛在中空微纖維時(shí)，中空通道內(nèi)的液柱形成毛細(xì)橋，液柱兩端半月板狀凹陷為懸掛的液滴提供了額外的毛細(xì)作用力，這種作用力對(duì)于提升懸掛液滴的能力有著重要的貢獻(xiàn)。

毛細(xì)作用是指液體表面對(duì)固體表面的吸引力。液體表面類似張緊的橡皮膜，若液面是彎曲的，它就有變平的趨勢(shì)。“浸潤(rùn)液體在毛細(xì)管中的液面是凹形的，它對(duì)下面的液體施加拉力，使液體沿著管壁上升，當(dāng)向上的拉力跟管內(nèi)液柱所受的重力相等時(shí)，管內(nèi)的液體停止上升，達(dá)到平衡。”孟濤舉例說，在自然界和日常生活中有許多毛細(xì)現(xiàn)象的例子，如植物莖內(nèi)的導(dǎo)管就是植物體內(nèi)極細(xì)的毛細(xì)管，它能把土壤里的水分吸上來。另外，磚塊吸水、毛巾吸汗、粉筆吸墨水都是常見的毛細(xì)現(xiàn)象，這些物體中有許多細(xì)小的孔道，都起著毛細(xì)管的作用。

因此，借助毛細(xì)作用力，能增加仿蛛絲中空微纖維懸掛液滴的能力，懸掛的液滴體積越大，單位時(shí)間內(nèi)從空氣中捕獲的水分就越多，從而提升了微纖維從空氣中采集水分的效率。

用途廣泛的仿蛛絲微纖維

如今，人們可以利用仿蛛絲中空微纖維良好的機(jī)械性能，進(jìn)行長(zhǎng)期、大規(guī)模集水。人類可以制備大量的微纖維并編織成蜘蛛網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在潮濕的清晨以及傍晚在空氣中收集大氣中的水分。孟濤介紹：“這樣的方法也適用于干旱的沙漠、缺水的海島等極端環(huán)境，滿足人們對(duì)淡水短缺的需求。”

孟濤表示，為促進(jìn)紡錘節(jié)微纖維在集水領(lǐng)域的應(yīng)用與創(chuàng)新，團(tuán)隊(duì)后續(xù)將系統(tǒng)深入地研究集水過程中液滴與纖維相互作用的界面機(jī)理及規(guī)模化生產(chǎn)仿蛛絲中空微纖維的技術(shù)等。“此外，纖維的集水性能實(shí)驗(yàn)是在一定濕度的霧氣下進(jìn)行的，未來研究中應(yīng)考慮紡錘節(jié)微纖維如何在濕度極低的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)水的收集，以及其他外部條件如風(fēng)速、溫度、霧流量等對(duì)集水性能的影響。”

據(jù)悉，該微纖維不僅可用于集水，還可應(yīng)用于醫(yī)藥、化妝品、環(huán)保、軍工等領(lǐng)域。比如，仿蛛絲中空微纖維可作為傷口敷料應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域。該材料為生物相容性材料，覆蓋在傷口表面能夠有效吸收多余的傷口滲出液，并可以形成凝膠保護(hù)創(chuàng)面。此外，由于在纖維的制備過程中引入了雙水相，纖維具有封裝酶、蛋白質(zhì)的特性，因此該纖維可以負(fù)載生長(zhǎng)因子、抗炎和促凝血類的藥物作為傷口敷料，達(dá)到加速傷口的創(chuàng)面愈合的效果。(羅洪焱陳科)

關(guān)鍵詞：仿蛛絲微纖維孟濤教授西南交通大學(xué) 天然蜘蛛絲