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创新发明:来自蜘蛛丝纤维结构的启示

2022/5/11 20:59:00 来源: 评论(0)142

仿蛛丝微纤维

 

  孟涛教授团队通过在仿蛛丝微纤维内部构建中空结构,让纤维的集水性得到显著提升。研究发现,该仿生微纤维悬挂液滴体积是纺锤节体积的1663倍,集水能力数值远超出已有文献报道的数值。

  淡水资源的短缺已成为制约全球社会和经济发展的主要因素。据统计,海水资源占到了地球上所有水资源的96.54%,淡水资源仅占2.53%,而且只有0.36%的淡水资源能够被人类直接利用,如何获取更多的可利用淡水资源,是一个亟待解决的问题。

  近日,国际化学领域期刊《材料化学学报》A刊报道了西南交通大学孟涛教授团队的研究成果——利用具有中空连续通道的仿蜘蛛丝微纤维进行高效集水,团队通过在仿蛛丝微纤维内部构建中空结构,让纤维的集水性得到显著提升,研究发现,该仿生微纤维悬挂液滴体积是纺锤节体积的1663倍,集水能力数值远超出已有文献报道的数值。

  来自蜘蛛丝纤维结构的启示

  目前,由于水污染和淡水资源缺乏等问题,水资源危机越来越受到广泛关注。由于海水淡化和废水处理技术的适用性、简便性和成本效益等问题,使得一些地方无法使用这些技术获取淡水资源。这些年,各领域的科学家们试图从大自然中获取灵感,研究仿生集水技术。

  自然界中,大多数生物都拥有应对恶劣环境的独特本领,经过长期的自然选择,一些生物已经能够从雾气中获得水分供自身生存,这为淡水收集系统中功能仿生材料的设计和制造提供了灵感。迄今为止,研究者们已经利用纳米布沙漠甲虫的集水机理、仙人掌的集水机理以及蜘蛛丝的表面集雾机理等,开发出了大量相应的仿生集水材料。

  雨后的清晨或者潮湿的角落,人们常常可以发现蜘蛛网上悬挂着大量晶莹的液滴。研究发现,实际上,蜘蛛丝有强大的集水功能,而其集水能力归因于一种独特的纤维结构,该结构由周期性纺锤节和关节构成,其中纺锤节由随机杂乱的纳米纤维组成,关节则由排列整齐的纳米纤维组成。当从干燥条件转化为潮湿条件下时,蜘蛛丝的结构会产生变化出现纺锤节(可以储水)。当微小的水滴在蜘蛛丝上凝结后,将在驱动力作用下向纺锤节方向运动,实现集水。

  受天然蜘蛛丝启发,研究者们计划制备模仿蜘蛛丝结构的微纤维,从大气中收集淡水。但近年来的研究集中在通过调控纤维表面形貌来提升毛细作用力,这种方式对于纤维集水性能提升有限。因此,目前提高微纤维的集水能力仍然是一个持续的挑战。

  中空微纤维展现更优异集水性能

  基于此,西南交通大学孟涛教授团队从内部结构出发,探究纤维集水性能的改善方法。在研究过程中,团队尝试了油水体系和气液体系的微流控等技术,开展了大量实验,均未达到理想效果。

  最终,研究团队从细胞内外水相分区的结构中得到启发,使用基于双水相层流的微流控纺丝技术,利用了双水相分区效应的机理,在界面上快速交联形成了纤维,并阻止了后续物质的扩散和继续反应,形成了仿蛛丝中空微纤维。孟涛表示:“我们将仿蛛丝中空微纤维与仿蛛丝实心微纤维在相同条件下进行对比集水实验,证明了中空结构增强了纤维的集水性能,仿蛛丝中空微纤维的集水能力更好更优秀。”

  为何相比于实心纺锤节微纤维,仿蛛丝中空微纤维能展现出更加优异的液滴悬挂能力呢?“由于中空通道的存在,延长了液滴与纤维间的三相接触线长度,增强了液滴受到的毛细作用力,从而提高了纤维悬挂液滴的能力。”孟涛解释说,液滴悬挂在中空微纤维时,中空通道内的液柱形成毛细桥,液柱两端半月板状凹陷为悬挂的液滴提供了额外的毛细作用力,这种作用力对于提升悬挂液滴的能力有着重要的贡献。

  毛细作用是指液体表面对固体表面的吸引力。液体表面类似张紧的橡皮膜,若液面是弯曲的,它就有变平的趋势。“浸润液体在毛细管中的液面是凹形的,它对下面的液体施加拉力,使液体沿着管壁上升,当向上的拉力跟管内液柱所受的重力相等时,管内的液体停止上升,达到平衡。”孟涛举例说,在自然界和日常生活中有许多毛细现象的例子,如植物茎内的导管就是植物体内极细的毛细管,它能把土壤里的水分吸上来。另外,砖块吸水、毛巾吸汗、粉笔吸墨水都是常见的毛细现象,这些物体中有许多细小的孔道,都起着毛细管的作用。

  因此,借助毛细作用力,能增加仿蛛丝中空微纤维悬挂液滴的能力,悬挂的液滴体积越大,单位时间内从空气中捕获的水分就越多,从而提升了微纤维从空气中采集水分的效率。

  用途广泛的仿蛛丝微纤维

  如今,人们可以利用仿蛛丝中空微纤维良好的机械性能,进行长期、大规模集水。人类可以制备大量的微纤维并编织成蜘蛛网状结构,在潮湿的清晨以及傍晚在空气中收集大气中的水分。孟涛介绍:“这样的方法也适用于干旱的沙漠、缺水的海岛等极端环境,满足人们对淡水短缺的需求。”

  孟涛表示,为促进纺锤节微纤维在集水领域的应用与创新,团队后续将系统深入地研究集水过程中液滴与纤维相互作用的界面机理及规模化生产仿蛛丝中空微纤维的技术等。“此外,纤维的集水性能实验是在一定湿度的雾气下进行的,未来研究中应考虑纺锤节微纤维如何在湿度极低的环境下实现水的收集,以及其他外部条件如风速、温度、雾流量等对集水性能的影响。”

  据悉,该微纤维不仅可用于集水,还可应用于医药、化妆品、环保、军工等领域。比如,仿蛛丝中空微纤维可作为伤口敷料应用于医药领域。该材料为生物相容性材料,覆盖在伤口表面能够有效吸收多余的伤口渗出液,并可以形成凝胶保护创面。此外,由于在纤维的制备过程中引入了双水相,纤维具有封装酶、蛋白质的特性,因此该纤维可以负载生长因子、抗炎和促凝血类的药物作为伤口敷料,达到加速伤口的创面愈合的效果。


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