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淡水資源的短缺已成為當今全球性的社會和經(jīng)濟發(fā)展的主要制約因素。據(jù)統(tǒng)計，海水資源占到了地球上所有水資源的96.54%，淡水資源僅占了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。

霧氣是一種潛在的淡水資源，可以被收集利用以應對全球性的淡水短缺危機。雨后的清晨或者潮濕的角落，常常發(fā)現(xiàn)蜘蛛網(wǎng)上懸掛著大量的晶瑩液滴。這是由于蜘蛛絲具有周期性的紡錘節(jié)結(jié)構(gòu)，從濕潤的空氣中收集水分。天然蜘蛛絲啟發(fā)了研究者們制備仿生結(jié)構(gòu)的微纖維從大氣中收集淡水。目前，提高微纖維的集水能力仍然是一個持續(xù)的挑戰(zhàn)。

近日，國際化學領(lǐng)域期刊《材料化學學報》A刊(Journal of Materials Chemistry A)報道了西南交通大學孟濤教授團隊的研究成果——具有中空連續(xù)通道的仿蜘蛛絲微纖維用于高效集水，團隊通過在仿蛛絲纖維內(nèi)部構(gòu)建中空結(jié)構(gòu)，讓纖維的集水性得到顯著提升，該仿生微纖維懸掛液滴體積是紡錘節(jié)體積的1663倍，遠高于目前世界上最高吸水能力的報道(571倍)。

蜘蛛絲纖維為集水提供新思路

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(guān)注。由于海水淡化和廢水處理的技術(shù)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方法獲取淡水資源。這些年，各領(lǐng)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(shù)，因此集水生物受到越來越多的關(guān)注，相應的仿生集水材料也在水資源短缺領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大潛力。

自然界中，大多數(shù)生物都擁有應對惡劣環(huán)境的獨特特性，經(jīng)過長期的自然選擇，一些生物已經(jīng)進化出了智能優(yōu)化結(jié)構(gòu)，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)出了相應的仿生集水材料。

據(jù)了解，蜘蛛絲是一維材料，蜘蛛絲纖維的直徑范圍從微米級到毫米級，蜘蛛絲纖維具有許多優(yōu)異的特性，包括韌性大、強度高、彈性好、耐高溫、耐紫外線性能、易于生物降解等。它被稱為“生物鋼”，多應用于外科手術(shù)縫線、防彈衣及降落傘材料等。

研究發(fā)現(xiàn)，實際上，蜘蛛絲有強大的集水功能，而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(guān)節(jié)構(gòu)成，其中，紡錘節(jié)由隨機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。在潮濕的環(huán)境中，蜘蛛絲上首先重建出紡錘節(jié)結(jié)構(gòu)，水滴在重建后的蜘蛛絲上凝結(jié)，緊接著，微小的水滴在驅(qū)動力作用下向紡錘節(jié)方向運動，實現(xiàn)集水。

天然蜘蛛絲啟發(fā)了研究者們制備仿生結(jié)構(gòu)的微纖維從大氣中收集淡水。近年來集水提升的研究，集中在纖維表面形貌的調(diào)控來提升毛細作用力，對于纖維集水性能提升有限。目前，提高微纖維的集水能力仍然是一個持續(xù)的挑戰(zhàn)。

中空微纖維展現(xiàn)更優(yōu)異集水性能

基于此，西南交通大學孟濤教授團隊從內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā)，探究纖維的集水性能的改善方法。在研究過程中，團隊嘗試了靜電紡絲、油水體系和氣液體系的微流控等技術(shù)，開展了大量的實驗，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)得到啟發(fā)，使用基于雙水相層流的微流控紡絲技術(shù)，制備出仿蛛絲中空微纖維。團隊利用了雙水相分區(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，形成了中空的微米級纖維。孟濤表示：“我們將中空與實心的仿蛛絲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，遠優(yōu)于已有的文獻報道。”

為何相比于實心紡錘節(jié)微纖維，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，液滴懸掛在中空紡錘節(jié)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)的極細的毛細管，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，能增加中空仿蛛絲微纖維懸掛水滴的能力，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吸收水分的效率。

“超強仿生蜘蛛絲”用途廣

如今，人們可以利用仿蛛絲中空微纖維良好的機械性能，進行長期以及大規(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，利用這樣的仿蛛絲微纖維材料編織成的網(wǎng)，網(wǎng)上會掛滿水滴并掉落到收集容器中，從而完成集水。孟濤介紹：“這樣的方法也適用于干旱的沙漠、缺水的海島、航海的船舶、野外生存之類的極端環(huán)境中，彌補傳統(tǒng)集水方法所無法達到的地方，滿足人們對淡水短缺的需求。”

據(jù)悉，該研究成果正與生物技術(shù)企業(yè)開展成果轉(zhuǎn)化，共同推進仿生蜘蛛絲微纖維在醫(yī)藥、化妝品、環(huán)保、軍工等領(lǐng)域的應用。

比如，仿蛛絲中空纖維可作為傷口敷料應用于醫(yī)藥領(lǐng)域。該仿蛛絲中空纖維的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，該仿生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。

孟濤表示，為促進紡錘節(jié)微纖維在集水領(lǐng)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，規(guī)?；a(chǎn)仿蛛絲微纖維的技術(shù)等。“此外，纖維的集水性能實驗是在一定濕度的霧氣下進行，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，且其他外部條件如風速、溫度、霧流量、噴霧距離等對集水性能的影響也需考慮。”(羅洪焱 陳科)