仿蛛絲微纖維：“憑空取水”能力超強

羅洪焱　陳科

孟濤教授團隊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)值遠超出已有文獻報道的數(shù)值。

淡水資源的短缺已成為制約全球社會和經(jīng)濟發(fā)展的主要因素。據(jù)統(tǒng)計，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，是一個亟待解決的問題。

近日，國際化學領域期刊《材料化學學報》A刊報道了西南交通大學孟濤教授團隊的研究成果——利用具有中空連續(xù)通道的仿蜘蛛絲微纖維進行高效集水，團隊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)值遠超出已有文獻報道的數(shù)值。

目前，由于水污染和淡水資源缺乏等問題，水資源危機越來越受到廣泛關注。由于海水淡化和廢水處理技術的適用性、簡便性和成本效益等問題，使得一些地方無法使用這些技術獲取淡水資源。這些年，各領域的科學家們試圖從大自然中獲取靈感，研究仿生集水技術。

自然界中，大多數(shù)生物都擁有應對惡劣環(huán)境的獨特本領，經(jīng)過長期的自然選擇，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計和制造提供了靈感。迄今為止，研究者們已經(jīng)利用納米布沙漠甲蟲的集水機理、仙人掌的集水機理以及蜘蛛絲的表面集霧機理等，開發(fā)出了大量相應的仿生集水材料。

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)，實際上，蜘蛛絲有強大的集水功能，而其集水能力歸因于一種獨特的纖維結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由周期性紡錘節(jié)和關節(jié)構(gòu)成，其中紡錘節(jié)由隨機雜亂的納米纖維組成，關節(jié)則由排列整齊的納米纖維組成。當從干燥條件轉(zhuǎn)化為潮濕條件下時，蜘蛛絲的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生變化出現(xiàn)紡錘節(jié)（可以儲水）。當微小的水滴在蜘蛛絲上凝結(jié)后，將在驅(qū)動力作用下向紡錘節(jié)方向運動，實現(xiàn)集水。

受天然蜘蛛絲啟發(fā)，研究者們計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作用力，這種方式對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持續(xù)的挑戰(zhàn)。

于此，西南交通大學孟濤教授團隊從內(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，團隊嘗試了油水體系和氣液體系的微流控等技術，開展了大量實驗，均未達到理想效果。

最終，研究團隊從細胞內(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，利用了雙水相分區(qū)效應的機理，在界面上快速交聯(lián)形成了纖維，并阻止了后續(xù)物質(zhì)的擴散和繼續(xù)反應，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心微纖維在相同條件下進行對比集水實驗，證明了中空結(jié)構(gòu)增強了纖維的集水性能，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，延長了液滴與纖維間的三相接觸線長度，增強了液滴受到的毛細作用力，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，中空通道內(nèi)的液柱形成毛細橋，液柱兩端半月板狀凹陷為懸掛的液滴提供了額外的毛細作用力，這種作用力對于提升懸掛液滴的能力有著重要的貢獻。

毛細作用是指液體表面對固體表面的吸引力。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。“浸潤液體在毛細管中的液面是凹形的，它對下面的液體施加拉力，使液體沿著管壁上升，當向上的拉力跟管內(nèi)液柱所受的重力相等時，管內(nèi)的液體停止上升，達到平衡。”孟濤舉例說，在自然界和日常生活中有許多毛細現(xiàn)象的例子，如植物莖內(nèi)的導管就是植物體內(nèi)極細的毛細管，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現(xiàn)象，這些物體中有許多細小的孔道，都起著毛細管的作用。

因此，借助毛細作用力，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。

如今，人們可以利用仿蛛絲中空微纖維良好的機械性能，進行長期、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，滿足人們對淡水短缺的需求。”

孟濤表示，為促進紡錘節(jié)微纖維在集水領域的應用與創(chuàng)新，團隊后續(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理及規(guī)模化生產(chǎn)仿蛛絲中空微纖維的技術等。“此外，纖維的集水性能實驗是在一定濕度的霧氣下進行的，未來研究中應考慮紡錘節(jié)微纖維如何在濕度極低的環(huán)境下實現(xiàn)水的收集，以及其他外部條件如風速、溫度、霧流量等對集水性能的影響。”

據(jù)悉，該微纖維不僅可用于集水，還可應用于醫(yī)藥、化妝品、環(huán)保、軍工等領域。比如，仿蛛絲中空微纖維可作為傷口敷料應用于醫(yī)藥領域。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，因此該纖維可以負載生長因子、抗炎和促凝血類的藥物作為傷口敷料，達到加速傷口的創(chuàng)面愈合的效果。