Nat. Commun:用于大規模高效集水的仿生空腔微纖維

【引言】

蜘蛛絲因其能夠從潮濕的空氣中收集水分而聞名于世，受蜘蛛絲這一獨特性質的啟發，研究人員設計出了特別的潤濕性材料。潤濕后的蜘蛛絲由周期性的紡錘節點和連接部分構成，并且結點和連接部分表現出了不同的表面微結構，這種獨特的結構使得結點和連接部分產生了明顯的表面能量梯度差和拉普拉斯壓力差。兩者相互協同作用，使得水滴能夠連續不斷地定向向節點輸送。受此啟發，研究人員采用復合材料策略制造了具有空腔紡錘形結構的微纖維，以模擬天然蜘蛛絲進行水收集。

【成果簡介】

近日，來自香港大學機械工程系王立秋教授課題組在近期的Nat.Commun期刊上發表了一篇題為“Large-scale water collection of bioinspired cavity-microfibers”的文章，文章的第一作者是香港大學的在讀博士研究生田野，通訊作者為香港大學王立秋教授和深圳大學孔湉湉副研究員。文章中介紹了一種大規模高效集水的仿生空腔微纖維，這種精確可控的、具有紡錘狀空腔結點的仿生微纖維可以通過簡單的“氣-水微流控”方法精確制造。這種空腔微纖維具有良好的機械性能，特異性的表面微結構和優異的耐久性。由于空腔結點結構的設計，大大降低了微纖維自身重量，節省了制備原材料，降低了制備成本，有利于大規模制備和實現大范圍水收集。這種空腔微纖維顯示出了優異的水收集能力，實驗證實，單根纖維的單個結點收集水的體積約為結點本身體積的495倍。除此之外，研究人員發現在交叉空腔纖維的交叉點處可以收集到更多的水。為了最大限度地提高集水能力，應在拓撲結構上盡可能多地設計出交叉點。為了實現大范圍收集水，研究人員模擬蜘蛛網的拓撲結構，利用空腔纖維制備了類蜘蛛網狀空腔纖維拓撲網。一個由77厘米長的空腔纖維編織成的網在2分鐘內便可以收集0.36毫升的水，真正的實現了大范圍的高效水收集。這款質輕、價廉、性優的仿生微纖維不僅為緩解水資源短缺問題帶來了無限可能，而且在載藥，手術線，細胞培養，組織工程等領域也具有巨大的應用前景。

【圖文導讀】

圖1 空腔微纖維的實驗裝置的示意圖以及空腔微纖維光學圖像

a）用于空腔微纖維制備的微流控系統示意圖；

b-e）在不同流速的連續相Q_jet和分散相P_gas氣壓下的空腔微纖維的光學圖像，其中b為0.6mLh^?1:22.40kPa; c為0.6mLh^?1:20.96kPa; d為1mLh^?1:26.04kPa; e為1mLh^?1:24.07kPa. ；

f-i）對應于b-e的脫水空腔微纖維的光學圖像；

j-k）所收集的大量脫水空腔微纖維。

圖2 空腔微纖維的形態結構

a）脫水后空腔微纖維的掃描電鏡照片；

b）空腔微纖維結點部分的表面微結構；

c）空腔微纖維連接部分的表面微結構；

d，e）AFM圖像顯示結點部分和空腔微纖維的連接部分的粗糙度和納米結構；

f，g）顯示節點中空腔的掃描電鏡照片；

h）空腔微纖維連接部分的實心截面。

圖3 單個脫水的空腔微纖維的集水過程

a）在單個脫水的空腔微纖維上所收集到的水滴的光學圖像；

b）任意節點所收集的水滴向特定方向的移動；

c）所收集到的水滴的體積與時間的關系；

d）在無空氣對流的密閉環境下所收集到的水滴的體積與濕度的關系；

e）水滴從空腔微纖維的一個紡錘狀節點脫離的TCL圖示；

f）水滴從空腔微纖維的N個紡錘狀節點脫離的TCL圖示。

圖4 空腔微纖維的耐久性

a）空腔微纖維所收集的最大水量與集水周期的關系圖；

b）儲存一個月后的空腔微纖維所收集的最大水量與集水周期的關系圖；

c）空腔微纖維在1個月后仍能保持其形態結構，而二氯甲烷-液滴模板纖維（DCM結纖維）的結點在24小時后變形很大。

圖5 空腔微纖維拓撲網絡的集水過程

a）空腔微纖維交叉結構集水的示意；

b）作為對照試驗的空腔微纖維平行結構集水的示意；

c）呈2α角度的2個空腔微纖維交叉結構的集水量與角度的關系；

d）具有兩根承重空腔微纖維的拓撲網狀結構；

e）具有三根承重空腔微纖維的拓撲網狀結構；

f）d中具有兩根承重空腔微纖維的拓撲網集水過程；

g）e中具有三根承重空腔微纖維的拓撲網集水過程；

h）由拓撲網絡收集的水體積與承重空腔微纖維數量的關系圖；

i）在無空氣對流的密閉環境下，空腔微纖維所收集的水量與濕度的關系；

j）具有四根承重空腔微纖維的拓撲網狀結構模擬大規模集水過程。

【小結】

這種微纖維具有完美的紡錘形結點,高度模擬了蜘蛛絲的結構和外形，并且，通過微流控技術將這些結點設計成了中空的，大大減少了原材料的使用，減輕了纖維自身重量，降低了纖維制備成本，有利于實現大范圍的水收集。另外，通過采用復合材料，使得這種空腔纖維具有優異的機械性能。通過綜合運用結點空腔設計和復合材料，微纖維的表面能梯度和拉普拉斯壓力差被大大提高，從而大大地提高了水收集效率和水收集體積。實驗證實，單根纖維的單個結點收集水的體積約為結點本身體積的495倍。另外，在交叉空腔纖維的交叉點處可以收集到更多的水，因此可通過有限的空腔纖維設計盡可能多的交叉點，來實現高效的水收集。為了實現大范圍收集水，研究人員模擬蜘蛛網的拓撲結構，利用空腔纖維制備了空腔纖維拓撲網。 一個由77厘米長的空腔纖維編織成的網在2分鐘內便可以收集0.36毫升的水，真正的實現了大范圍的高效水收集。

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

王立秋教授: 于加拿大阿爾伯塔大學獲得博士學位，現任香港大學機械工程系終身教授，香港大學浙江科學技術研究院納米流體與熱能工程研究所所長、首席科學家，浙江省“千人計劃”學者。王教授30多年來在加拿大、中國/香港、新加坡及美國等地大學從事熱能動力工程、能源與環境、傳遞現象、納米技術、生物技術和應用數學等領域的教學與科研工作，在企業中擔任技術總監和首席科學家2年時間。相關理論和技術研究獲包括香港科學基金項目、香港大學科研基金項目、中國國家科技部國際合作項目、中國國家自然基金項目在內的科研項目共計70余項，總額超過2000萬美元。已出版學術專著10部，發表書籍章節和科技論文360余篇，包括3篇《自然—通訊》論文，申請專利22項。專著論文被學術同行廣泛引用，為全球最被廣泛引用的“Top 1%”科學家。

王教授的研究已獲得多項殊榮，其中包括光學學會在2017年第七屆國際光流控會議期間（新加坡，2017年7月25日至28日）授予的創新獎。王教授曾任哈佛大學（2008年）和杜克大學（2003年）客座教授，應邀作過50多場國際學術會議大會主旨報告，擔任《傳遞現象進展》年鑒系列主編、《科學報告》編輯、《當代納米科學》副主編、美國機械工程師學會《傳熱學雜志》納微尺度傳遞現象專刊、《納米尺度研究通訊》納米流體專刊和《機械工程進展》年度納米流體傳熱專刊特約編委，以及另外20多個國際期刊編委。

本文由材料人網高分子組Andy編譯。王立秋教授團隊審核整理。

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