获取淡水资源有新招 超强仿生蜘蛛丝规模化高效集水
2022-04-15 15:32:00 101阅读 发布地区:

罗洪焱 陈科

淡水资源的短缺已成为当今全球性的社会和经济发展的主要制约因素。据统计,海水资源占到了地球上所有水资源的96.54%,淡水资源仅占了2.53%,而且只有0.36%的淡水资源能够被人类直接利用,如何获取更多的可利用淡水资源,是一个亟待解决的问题。

雾气是一种潜在的淡水资源,可以被收集利用以应对全球性的淡水短缺危机。雨后的清晨或者潮湿的角落,常常发现蜘蛛网上悬挂着大量的晶莹液滴。这是由于蜘蛛丝具有周期性的纺锤节结构,从湿润的空气中收集水分。天然蜘蛛丝启发了研究者们制备仿生结构的微纤维从大气中收集淡水。目前,提高微纤维的集水能力仍然是一个持续的挑战。

近日,国际化学领域期刊《材料化学学报》A刊(Journal of Materials Chemistry A)报道了西南交通大学孟涛教授团队的研究成果——具有中空连续通道的仿蜘蛛丝微纤维用于高效集水,团队通过在仿蛛丝纤维内部构建中空结构,让纤维的集水性得到显著提升,该仿生微纤维悬挂液滴体积是纺锤节体积的1663倍,远高于目前世界上最高吸水能力的报道(571倍)。

蜘蛛丝纤维为集水提供新思路

目前,由于水污染和淡水资源缺乏等问题,水资源危机越来越受到广泛关注。由于海水淡化和废水处理的技术适用性、简便性和成本效益等问题,使得一些地方无法使用这些方法获取淡水资源。这些年,各领域的科学家们试图从大自然中获取灵感,研究仿生集水技术,因此集水生物受到越来越多的关注,相应的仿生集水材料也在水资源短缺领域表现出巨大潜力。

自然界中,大多数生物都拥有应对恶劣环境的独特特性,经过长期的自然选择,一些生物已经进化出了智能优化结构,能够从雾气中获得水分供自身生存,这为淡水收集系统中功能仿生材料的设计和制造提供了灵感。迄今为止,研究者们已经利用纳米布沙漠甲虫的集水机理、仙人掌的集水机理以及蜘蛛丝的表面集雾机理等,开发出了相应的仿生集水材料。

据了解,蜘蛛丝是一维材料,蜘蛛丝纤维的直径范围从微米级到毫米级,蜘蛛丝纤维具有许多优异的特性,包括韧性大、强度高、弹性好、耐高温、耐紫外线性能、易于生物降解等。它被称为“生物钢”,多应用于外科手术缝线、防弹衣及降落伞材料等。

研究发现,实际上,蜘蛛丝有强大的集水功能,而集水能力归因于一种独特的纤维结构,该结构由周期性纺锤节和关节构成,其中,纺锤节由随机杂乱的纳米纤维组成,关节则由排列整齐的纳米纤维组成。在潮湿的环境中,蜘蛛丝上首先重建出纺锤节结构,水滴在重建后的蜘蛛丝上凝结,紧接着,微小的水滴在驱动力作用下向纺锤节方向运动,实现集水。

天然蜘蛛丝启发了研究者们制备仿生结构的微纤维从大气中收集淡水。近年来集水提升的研究,集中在纤维表面形貌的调控来提升毛细作用力,对于纤维集水性能提升有限。目前,提高微纤维的集水能力仍然是一个持续的挑战。

中空微纤维展现更优异集水性能

基于此,西南交通大学孟涛教授团队从内部结构出发,探究纤维的集水性能的改善方法。在研究过程中,团队尝试了静电纺丝、油水体系和气液体系的微流控等技术,开展了大量的实验,均未达到理想效果。

最终,研究团队从细胞内外水相分区的结构得到启发,使用基于双水相层流的微流控纺丝技术,制备出仿蛛丝中空微纤维。团队利用了双水相分区效应的机理,在界面上快速交联形成了纤维,并阻止了后续物质的扩散和继续反应,形成了中空的微米级纤维。孟涛表示:“我们将中空与实心的仿蛛丝纤维在相同条件下进行对比集水实验,证明了中空结构增强了纤维的集水性能,仿蛛丝中空微纤维的集水能力,远优于已有的文献报道。”

为何相比于实心纺锤节微纤维,中空微纤维能展现出更加优异的液滴悬挂能力呢?“由于中空通道的存在,延长了液滴与纤维间的三相接触线长度,增强了液滴受到的毛细作用力,从而提高了纤维悬挂液滴的能力。”孟涛解释说,液滴悬挂在中空纺锤节微纤维时,中空通道内的液柱形成毛细桥,液柱两端半月板状凹陷为悬挂的液滴提供了额外的毛细作用力,这种作用力对于提升悬挂液滴的能力有着重要的贡献。

毛细作用是指液体表面对固体表面的吸引力。液体表面类似张紧的橡皮膜,若液面是弯曲的,它就有变平的趋势。“浸润液体在毛细管中的液面是凹形的,它对下面的液体施加拉力,使液体沿着管壁上升,当向上的拉力跟管内液柱所受的重力相等时,管内的液体停止上升,达到平衡。”孟涛举例说,在自然界和日常生活中有许多毛细现象的例子,如植物茎内的导管就是植物体内的极细的毛细管,它能把土壤里的水分吸上来。另外,砖块吸水、毛巾吸汗、粉笔吸墨水都是常见的毛细现象,这些物体中有许多细小的孔道,都起着毛细管的作用。

因此,借助毛细作用力,能增加中空仿蛛丝微纤维悬挂水滴的能力,悬挂的液滴体积越大,单位时间内从空气中捕获的水分就越多,从而提升了微纤维从空气中吸收水分的效率。

 中空纺锤节微纤维集水性能和微观形貌。 采访对象供图

“超强仿生蜘蛛丝”用途广

如今,人们可以利用仿蛛丝中空微纤维良好的机械性能,进行长期以及大规模集水。人类可以制备大量的微纤维并编织成蜘蛛网状结构,在潮湿的清晨以及傍晚在空气中收集大气中的水分,利用这样的仿蛛丝微纤维材料编织成的网,网上会挂满水滴并掉落到收集容器中,从而完成集水。孟涛介绍:“这样的方法也适用于干旱的沙漠、缺水的海岛、航海的船舶、野外生存之类的极端环境中,弥补传统集水方法所无法达到的地方,满足人们对淡水短缺的需求。”

据悉,该研究成果正与生物技术企业开展成果转化,共同推进仿生蜘蛛丝微纤维在医药、化妆品、环保、军工等领域的应用。

比如,仿蛛丝中空纤维可作为伤口敷料应用于医药领域。该仿蛛丝中空纤维的材料为生物相容性材料,覆盖在伤口表面能够有效吸收多余的伤口渗出液,并可以形成凝胶保护创面。此外,由于在纤维的制备过程中引入了双水相,纤维具有封装酶、蛋白质的特性,该仿生纤维可以负载生长因子、抗炎和促凝血类的药物作为伤口敷料,达到加速伤口的创面愈合的效果。

孟涛表示,为促进纺锤节微纤维在集水领域的应用与创新,团队后续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,规模化生产仿蛛丝微纤维的技术等。“此外,纤维的集水性能实验是在一定湿度的雾气下进行,未来研究中应考虑纺锤节微纤维如何在湿度极低的环境下实现水的收集,且其他外部条件如风速、温度、雾流量、喷雾距离等对集水性能的影响也需考虑。”

责任编辑: 李梦一