仿蛛丝微纤维：“凭空取水”能力超强

孟涛教授的团队通过在丝状微纤维内部构建中空结构，显著提高了它们的集水能力研究发现，仿生微纤维的悬浮液滴体积是纺锤节的1663倍，其集水能力远远超过文献报道

淡水资源短缺已成为制约全球社会经济发展的主要因素据统计，海水占地球上所有水资源的96.54%，而淡水仅占2.53%，只有0.36%的淡水资源能被人类直接利用如何获得更多可利用的淡水资源是一个亟待解决的问题

最近，国际化学领域的Journal of Material Chemistry杂志A刊报道了西南交通大学孟涛教授的研究成果，即具有中空连续通道的蜘蛛丝状微纤维被用于高效集水通过在蜘蛛丝状微纤维内部构建中空结构，该团队显著提高了纤维的集水能力研究发现，仿生微纤维的悬浮液滴体积是纺锤节的1663倍，集水能力远超文献报道值

蜘蛛丝纤维结构的启示

目前，由于水污染和淡水资源的缺乏，水资源危机越来越受到人们的关注由于海水淡化和废水处理技术的适用性，简单性和成本效益，一些地方无法利用这些技术获得淡水资源最近几年来，各个领域的科学家都试图从大自然中获取灵感，研究仿生集水技术

在自然界中，大多数生物都有应对恶劣环境的独特能力经过长期的自然选择，一些生物已经能够从雾中获取水供自身生存，这为淡水收集系统中功能仿生材料的设计和制造提供了启示到目前为止，研究人员利用纳米布沙漠甲虫，仙人掌，蜘蛛丝的集水机制，已经开发出大量相应的仿生集水材料

在雨后的清晨或潮湿的角落，人们常常可以发现蜘蛛网上挂着大量的水晶水滴研究发现，其实蜘蛛丝具有强大的集水功能，其集水能力归功于独特的纤维结构，由周期性的纺锤节和接头组成，其中纺锤节由随机无序的纳米纤维组成，而接头由有序排列的纳米纤维组成当从干燥状态转变为潮湿状态时，蜘蛛丝的结构会发生变化，出现纺锤节当微小的水滴凝结在蜘蛛丝上时，会在驱动力的作用下向纺锤体关节运动，以收集水分

受天然蜘蛛丝的启发，研究人员计划制备模仿蜘蛛丝结构的微纤维，并从大气中收集淡水可是，最近几年来的研究主要集中在通过调节纤维表面形态来提高毛细作用力，对纤维的吸水性能改善有限因此，提高微纤维的集水能力仍然是一个持续的挑战

中空纤维显示出更好集水性能。

基于此，西南交通大学孟涛教授团队从内部结构入手，探索纤维集水性能的改善方法在研究过程中，团队尝试了油水体系和气液体系的微流控技术，进行了大量的实验，都没有达到预期的效果

最终，研究团队从细胞内外水相分区的结构中得到启发，采用基于两相层流的微流控纺丝技术，利用两相分区效应的机理，在界面快速交联形成纤维，阻止后续物质的扩散和连续反应，从而形成丝状中空微纤维孟涛说，我们在相同条件下对中空纤维状蜘蛛丝和实心纤维状蜘蛛丝进行了对比集水实验，证明中空结构增强了纤维的集水性能，中空纤维状蜘蛛丝具有更好的集水能力

为什么像蜘蛛丝一样的中空微纤维比实心纺锤节微纤维表现出更优异的液滴悬浮能力由于中空通道的存在，延长了液滴与纤维的三相接触线长度，增强了液滴上的毛细作用力，从而提高了纤维悬浮液滴的能力孟涛解释说，当液滴悬浮在中空微纤维中时，中空通道中的液柱形成了毛细桥，液柱两端的弯月形凹陷为悬浮的液滴提供了额外的毛细力，为提高液滴悬浮能力做出了重要贡献

毛细作用是指液体表面对固体表面的吸引力液体的表面就像一张拉紧的橡胶膜，如果液体表面是弯曲的，它就会变平毛细管中浸液的液面呈凹形，对下面的液体产生拉力，使液体沿管壁上升当向上的拉力等于管内液柱的重力时，管内液体停止上升，达到平衡例如，孟涛在自然界和日常生活中有许多毛细现象的例子比如植物茎中的导管，就是植物体内极细的毛细血管，可以吸起土壤中的水分另外，砖头吸水，毛巾吸汗，粉笔吸墨水，都是常见的毛细现象这些物体中有许多微小的气孔，它们都起着毛细血管的作用

因此，借助毛细管力，可以增加丝状中空微纤维悬浮液滴的能力悬浮液滴的体积越大，单位时间内从空气中捕获的水就越多，从而提高微纤维从空气中收集水的效率

用途广泛的仿蜘蛛丝超细纤维

如今，人们可以利用丝状中空微纤维良好的机械性能进行长期，大规模的集水人类可以准备大量的微纤维并编织成蜘蛛网结构，在潮湿的早晨和傍晚收集空气中的大气水分孟涛介绍:这种方法也适用于干旱沙漠，缺水海岛等极端环境，满足了人们对淡水短缺的需求

孟涛表示，为了推动纺锤形微纤维在集水领域的应用和创新，团队将系统深入地研究集水过程中液滴与纤维相互作用的界面机理，以及规模化生产仿丝中空微纤维的技术此外，纤维的吸水性能实验是在一定湿度的雾中进行的在今后的研究中，要考虑纺锤形微纤维如何在极低湿度环境下集水，以及风速，温度，雾流率等其他外界条件对集水性能的影响

据报道，这种超细纤维不仅可用于集水，还可用于医药，化妆品，环保，军事等领域例如，丝状中空微纤维可以在医学领域中用作伤口敷料该材料为生物相容性材料，覆盖在创面上能有效吸收多余的伤口渗出物，形成凝胶保护创面另外，由于在纤维的制备过程中引入了双水相，纤维具有包裹酶和蛋白质的特性，因此纤维可以负载生长因子，抗炎和促凝血药物作为伤口敷料，达到加速伤口愈合的效果