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淡水資源的短缺已成為當(dāng)今全球性的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要制約因素。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(gè)亟待解決的問(wèn)題。

霧氣是一種潛在的淡水資源，可以被收集利用以應(yīng)對(duì)全球性的淡水短缺危機(jī)。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(rùn)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(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)。

近日，國(guó)際化學(xué)領(lǐng)域期刊《材料化學(xué)學(xué)報(bào)》A刊(Journal of Materials Chemistry A)報(bào)道了西南交通大學(xué)孟濤教授團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)通過(guò)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(yuǎn)高于目前世界上最高吸水能力的報(bào)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(wèn)題，水資源危機(jī)越來(lái)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(jiǎn)便性和成本效益等問(wèn)題，使得一些地方無(wú)法使用這些方法獲取淡水資源。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)，因此集水生物受到越來(lái)越多的關(guān)注，相應(yīng)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(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境的獨(dú)特特性，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的自然選擇，一些生物已經(jīng)進(jìn)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(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)出了相應(yīng)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(jí)到毫米級(jí)，蜘蛛絲纖維具有許多優(yōu)異的特性，包括韌性大、強(qiáng)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(yīng)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(shí)際上，蜘蛛絲有強(qiáng)大的集水功能，而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。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(dòng)力作用下向紡錘節(jié)方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)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(lái)集水提升的研究，集中在纖維表面形貌的調(diào)控來(lái)提升毛細(xì)作用力，對(duì)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(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)，探究纖維的集水性能的改善方法。在研究過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)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(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)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(tuán)隊(duì)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)，形成了中空的微米級(jí)纖維。孟濤表示：“我們將中空與實(shí)心的仿蛛絲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，遠(yuǎn)優(yōu)于已有的文獻(xiàn)報(bào)道。”

為何相比于實(shí)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(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(shuō)，液滴懸掛在中空紡錘節(jié)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(shuō)，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)的極細(xì)的毛細(xì)管，它能把土壤里的水分吸上來(lái)。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(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吸收水分的效率。

“超強(qiáng)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(jī)械性能，進(jìn)行長(zhǎng)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(huì)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(bǔ)傳統(tǒng)集水方法所無(wú)法達(dá)到的地方，滿足人們對(duì)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(jìn)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(yīng)用。

比如，仿蛛絲中空纖維可作為傷口敷料應(yīng)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(hù)創(chuàng)面。此外，由于在纖維的制備過(guò)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(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。

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(guò)程中液滴與纖維相互作用的界面機(jī)理，規(guī)模化生產(chǎn)仿蛛絲微纖維的技術(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，未來(lái)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，且其他外部條件如風(fēng)速、溫度、霧流量、噴霧距離等對(duì)集水性能的影響也需考慮。”(羅洪焱 陳科)