Nat. Commun:用于大规模高效集水的仿生空腔微纤维

【引言】

蜘蛛丝因其能够从潮湿的空气中收集水分而闻名于世，受蜘蛛丝这一独特性质的启发，研究人员设计出了特别的润湿性材料。润湿后的蜘蛛丝由周期性的纺锤节点和连接部分构成，并且结点和连接部分表现出了不同的表面微结构，这种独特的结构使得结点和连接部分产生了明显的表面能量梯度差和拉普拉斯压力差。两者相互协同作用，使得水滴能够连续不断地定向向节点输送。受此启发，研究人员采用复合材料策略制造了具有空腔纺锤形结构的微纤维，以模拟天然蜘蛛丝进行水收集。

【成果简介】

近日，来自香港大学机械工程系王立秋教授课题组在近期的Nat.Commun期刊上发表了一篇题为“Large-scale water collection of bioinspired cavity-microfibers”的文章，文章的第一作者是香港大学的在读博士研究生田野，通讯作者为香港大学王立秋教授和深圳大学孔湉湉副研究员。文章中介绍了一种大规模高效集水的仿生空腔微纤维，这种精确可控的、具有纺锤状空腔结点的仿生微纤维可以通过简单的“气-水微流控”方法精确制造。这种空腔微纤维具有良好的机械性能，特异性的表面微结构和优异的耐久性。由于空腔结点结构的设计，大大降低了微纤维自身重量，节省了制备原材料，降低了制备成本，有利于大规模制备和实现大范围水收集。这种空腔微纤维显示出了优异的水收集能力，实验证实，单根纤维的单个结点收集水的体积约为结点本身体积的495倍。除此之外，研究人员发现在交叉空腔纤维的交叉点处可以收集到更多的水。为了最大限度地提高集水能力，应在拓扑结构上尽可能多地设计出交叉点。为了实现大范围收集水，研究人员模拟蜘蛛网的拓扑结构，利用空腔纤维制备了类蜘蛛网状空腔纤维拓扑网。一个由77厘米长的空腔纤维编织成的网在2分钟内便可以收集0.36毫升的水，真正的实现了大范围的高效水收集。这款质轻、价廉、性优的仿生微纤维不仅为缓解水资源短缺问题带来了无限可能，而且在载药，手术线，细胞培养，组织工程等领域也具有巨大的应用前景。

【图文导读】

图1 空腔微纤维的实验装置的示意图以及空腔微纤维光学图像

a）用于空腔微纤维制备的微流控系统示意图；

b-e）在不同流速的连续相Q_jet和分散相P_gas气压下的空腔微纤维的光学图像，其中b为0.6mLh⁻¹:22.40kPa; c为0.6mLh⁻¹:20.96kPa; d为1mLh⁻¹:26.04kPa; e为1mLh⁻¹:24.07kPa. ；

f-i）对应于b-e的脱水空腔微纤维的光学图像；

j-k）所收集的大量脱水空腔微纤维。

图2 空腔微纤维的形态结构

a）脱水后空腔微纤维的扫描电镜照片；

b）空腔微纤维结点部分的表面微结构；

c）空腔微纤维连接部分的表面微结构；

d，e）AFM图像显示结点部分和空腔微纤维的连接部分的粗糙度和纳米结构；

f，g）显示节点中空腔的扫描电镜照片；

h）空腔微纤维连接部分的实心截面。

图3 单个脱水的空腔微纤维的集水过程

a）在单个脱水的空腔微纤维上所收集到的水滴的光学图像；

b）任意节点所收集的水滴向特定方向的移动；

c）所收集到的水滴的体积与时间的关系；

d）在无空气对流的密闭环境下所收集到的水滴的体积与湿度的关系；

e）水滴从空腔微纤维的一个纺锤状节点脱离的TCL图示；

f）水滴从空腔微纤维的N个纺锤状节点脱离的TCL图示。

图4 空腔微纤维的耐久性

a）空腔微纤维所收集的最大水量与集水周期的关系图；

b）储存一个月后的空腔微纤维所收集的最大水量与集水周期的关系图；

c）空腔微纤维在1个月后仍能保持其形态结构，而二氯甲烷-液滴模板纤维（DCM结纤维）的结点在24小时后变形很大。

图5 空腔微纤维拓扑网络的集水过程

a）空腔微纤维交叉结构集水的示意；

b）作为对照试验的空腔微纤维平行结构集水的示意；

c）呈2α角度的2个空腔微纤维交叉结构的集水量与角度的关系；

d）具有两根承重空腔微纤维的拓扑网状结构；

e）具有三根承重空腔微纤维的拓扑网状结构；

f）d中具有两根承重空腔微纤维的拓扑网集水过程；

g）e中具有三根承重空腔微纤维的拓扑网集水过程；

h）由拓扑网络收集的水体积与承重空腔微纤维数量的关系图；

i）在无空气对流的密闭环境下，空腔微纤维所收集的水量与湿度的关系；

j）具有四根承重空腔微纤维的拓扑网状结构模拟大规模集水过程。

【小结】

这种微纤维具有完美的纺锤形结点,高度模拟了蜘蛛丝的结构和外形，并且，通过微流控技术将这些结点设计成了中空的，大大减少了原材料的使用，减轻了纤维自身重量，降低了纤维制备成本，有利于实现大范围的水收集。另外，通过采用复合材料，使得这种空腔纤维具有优异的机械性能。通过综合运用结点空腔设计和复合材料，微纤维的表面能梯度和拉普拉斯压力差被大大提高，从而大大地提高了水收集效率和水收集体积。实验证实，单根纤维的单个结点收集水的体积约为结点本身体积的495倍。另外，在交叉空腔纤维的交叉点处可以收集到更多的水，因此可通过有限的空腔纤维设计尽可能多的交叉点，来实现高效的水收集。为了实现大范围收集水，研究人员模拟蜘蛛网的拓扑结构，利用空腔纤维制备了空腔纤维拓扑网。 一个由77厘米长的空腔纤维编织成的网在2分钟内便可以收集0.36毫升的水，真正的实现了大范围的高效水收集。

文献链接：Large-scale water collection of bioinspired cavity-microfibers. （Nat.Commun, 2017, DOI: 10.1038/s41467-017-01157-4）

王立秋教授: 于加拿大阿尔伯塔大学获得博士学位，现任香港大学机械工程系终身教授，香港大学浙江科学技术研究院纳米流体与热能工程研究所所长、首席科学家，浙江省“千人计划”学者。王教授30多年来在加拿大、中国/香港、新加坡及美国等地大学从事热能动力工程、能源与环境、传递现象、纳米技术、生物技术和应用数学等领域的教学与科研工作，在企业中担任技术总监和首席科学家2年时间。相关理论和技术研究获包括香港科学基金项目、香港大学科研基金项目、中国国家科技部国际合作项目、中国国家自然基金项目在内的科研项目共计70余项，总额超过2000万美元。已出版学术专著10部，发表书籍章节和科技论文360余篇，包括3篇《自然—通讯》论文，申请专利22项。专著论文被学术同行广泛引用，为全球最被广泛引用的“Top 1%”科学家。

王教授的研究已获得多项殊荣，其中包括光学学会在2017年第七届国际光流控会议期间（新加坡，2017年7月25日至28日）授予的创新奖。王教授曾任哈佛大学（2008年）和杜克大学（2003年）客座教授，应邀作过50多场国际学术会议大会主旨报告，担任《传递现象进展》年鉴系列主编、《科学报告》编辑、《当代纳米科学》副主编、美国机械工程师学会《传热学杂志》纳微尺度传递现象专刊、《纳米尺度研究通讯》纳米流体专刊和《机械工程进展》年度纳米流体传热专刊特约编委，以及另外20多个国际期刊编委。

本文由材料人网高分子组Andy编译。王立秋教授团队审核整理。

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