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2022-04-18 10:27:33
獲取淡水資源有新招 超強仿生蜘蛛絲規模化高效集水
2022-04-18 10:27:33 來源: 科技日報
淡水資源的短缺已成為當今全球性的社會和經濟發展的主要制約因素。據統計，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，常常發現蜘蛛網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結構，從濕潤的空氣中收集水分。天然蜘蛛絲啟發了研究者們制備仿生結構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的挑戰。
近日，國際化學領域期刊《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部構建中空結構，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注。由于海水淡化和廢水處理的技術適用性、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，因此集水生物受到越來越多的關注，相應的仿生集水材料也在水資源短缺領域表現出巨大潛力。
自然界中，大多數生物都擁有應對惡劣環境的獨特特性，經過長期的自然選擇，一些生物已經進化出了智能優化結構，能夠從霧氣中獲得水分供自身生存，這為淡水收集系統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，開發出了相應的仿生集水材料。
據了解，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”，多應用于外科手術縫線、防彈衣及降落傘材料等。
研究發現，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構，該結構由周期性紡錘節和關節構成，其中，紡錘節由隨機雜亂的納米纖維組成，關節則由排列整齊的納米纖維組成。在潮濕的環境中，蜘蛛絲上首先重建出紡錘節結構，水滴在重建后的蜘蛛絲上凝結，緊接著，微小的水滴在驅動力作用下向紡錘節方向運動，實現集水。
天然蜘蛛絲啟發了研究者們制備仿生結構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的挑戰。
中空微纖維展現更優異集水性能
基于此，西南交通大學孟濤教授團隊從內部結構出發，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，開展了大量的實驗，均未達到理想效果。
最終，研究團隊從細胞內外水相分區的結構得到啟發，使用基于雙水相層流的微流控紡絲技術，制備出仿蛛絲中空微纖維。團隊利用了雙水相分區效應的機理，在界面上快速交聯形成了纖維，并阻止了后續物質的擴散和繼續反應，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，證明了中空結構增強了纖維的集水性能，仿蛛絲中空微纖維的集水能力，遠優于已有的文獻報道。”
為何相比于實心紡錘節微纖維，中空微纖維能展現出更加優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微纖維時，中空通道內的液柱形成毛細橋，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液柱所受的重力相等時，管內的液體停止上升，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象的例子，如植物莖內的導管就是植物體內的極細的毛細管，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。
中空紡錘節微纖維集水性能和微觀形貌。 采訪對象供圖
“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，進行長期以及大規模集水。人類可以制備大量的微纖維并編織成蜘蛛網狀結構，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，網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境中，彌補傳統集水方法所無法達到的地方，滿足人們對淡水短缺的需求。”
據悉，該研究成果正與生物技術企業開展成果轉化，共同推進仿生蜘蛛絲微纖維在醫藥、化妝品、環保、軍工等領域的應用。
比如，仿蛛絲中空纖維可作為傷口敷料應用于醫藥領域。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，達到加速傷口的創面愈合的效果。
孟濤表示，為促進紡錘節微纖維在集水領域的應用與創新，團隊后續將系統深入地研究集水過程中液滴與纖維相互作用的界面機理，規模化生產仿蛛絲微纖維的技術等。“此外，纖維的集水性能實驗是在一定濕度的霧氣下進行，未來研究中應考慮紡錘節微纖維如何在濕度極低的環境下實現水的收集，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。”
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