hb火博体育平台·北航《AFM》：连续制造出一种大规模集水用仿生坚固

　　螺旋结构在自然界无处不在，具有高阶构型、特定路径、大表面积等特点，为生物启发的润湿性控制提供了一种方法。天然蜘蛛丝因其特殊的亲水性粗糙表面和周期性的结节和关节结构，可以捕捉雾中的微小水滴并将其定向输送，这引发了科学界对生物启发结节微纤维的兴趣，以应对水资源短缺的风险。

　　为了进一步提高集水能力，来自北京航空航天大学的学者通过简单的涂层方法结合裂纹调控，连续制造出了一种生物启发螺旋槽改性纺锤结（HSK）超细纤维。通过调节拉丝速度和涂层溶液的浓度，可以精确地控制其形成和形态。与光滑的纺锤结超细纤维相比，HSK 在润湿速度、液滴增长速度和悬挂能力方面都有更出色的表现，这归功于其独特的螺旋路径带来的毛细管力差异，并为集水行为提供了额外的三相接触线长度。最大水滴体积几乎是超细纤维结的 2114 倍，与之前的报告相比是最高的。此外，HSK 超细纤维还具有可修复的润湿性、长期耐久性、优异的机械性能和柔韧性，在大规模集水应用领域具有巨大潜力。相关文章以“Bioinspired Robust Helical-Groove Spindle-Knot Microfibers for Large-Scale Water Collection”标题发表在Advanced Functional Materials。

　　图 1. a) HSK 微纤维的制备过程示意图。b) HSK 微纤维的例光学图像，插图为单个 HSK 的放大光学图像。c) 一个微纤维中四个 HSK 的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。

　　图 2. 通过制备参数控制结的大小（高度和长度）、间距和螺旋形态。a) 结大小和螺旋形态的光学图像和示意图。b,c) 拉伸速度对 b) 结大小和 c) 间距的影响。d-f)涂层溶液浓度对 d) 结大小、e) 间距和 f) 螺旋形态的影响。

　　图 3.HSK 微纤维的集水能力 HSK 超细纤维的集水能力。a) 流速为 20 g s-1 m-1 时的集水行为光学图像。在 3 秒钟内观察，HSK（左侧）迅速将水滴凝聚成结，而不是 SK 超细纤维上的水滴仍然分别凝聚在结和节上。b) 流速为 50 g s-1 m-1 时的集水行为光学图像。经过长时间观察，HSK 很容易在 60 秒内形成大水滴。在 262 秒内形成更多的大水滴，然后从 HSK 超细纤维上脱落（左图）。c) HSK 超细纤维上的最大液滴体积和集水效率。HSK 上的最大水滴体积超过 5.2 μL，效率高达 0.22 μL s-1，而 SK 上的水滴体积较小，仅为 3.4 μL，效率较低，仅为 0.16 μL s-1。在 20 次循环中，HSK 的水体积范围为 4.8-5.8 μL，明显高于 SK（3.0-3.9 μL）。

　　图 4. HSK 超细纤维的水传输行为细节和水收集机制图解。a) 单个 HSK 上水滴捕获和凝聚的光学图像。HSK 的完全润湿过程在 3 秒内超快完成。b) HSK 润湿过程的机理说明。除了主轴曲率提供的拉普拉斯压力差 FL 外，螺旋槽毛细力（FC）差提供的毛细力差 ΔP( = P1-P2)协同推动水，从而加速了 HSK 的润湿和液滴凝聚。c) 水分离SK 和 HSK 的 TCL 图示.

　　图 5.SK 超细纤维的集水性能和机械性能。a、b）不同（二交叉、三交叉、四交叉、五交叉）微纤维编织图案网（分别对应（a）中的第 1、2、3、4 帧）的光学图像。从（b）中的帧 1、2、3、4 可以观察到积水情况。c) HSK 超细纤维在承重 10 克时的承重能力。与之前的报告（参考文献 [20]、[22]、[29]-[31]）相比，HSK具有出色的集水能力。

　　总之，本研究首次采用了一种表面规则裂纹控制方法来制造用于集水的 HSK 超细纤维。通过精确改变拉丝速度和涂层溶液浓度，可以调整螺旋的构型以及 SK 的大小和间距。螺旋状微结构完美地解决了用于集水的人工蜘蛛丝的多重表面改性问题，与之前的设计相比具有极大的优越性。与光滑的 SK 超细纤维相比，HSK 超细纤维在润湿速度、水滴增长速度和悬挂能力方面都有更出色的表现。HSK 微纤维的最大液滴体积几乎是普通 SK 微纤维的 2114 倍，与之前的报告相比是最高的。独特的通道结构所提供的毛细管力差在超快润湿过程中发挥了关键作用，使液滴高效生长。同时，螺旋槽的表面积增加了液滴悬挂在超细纤维上时的 TCL 长度，从而增强了粘附力，提高了超细纤维的悬挂能力。此外，HSK 微纤维还具有可修复的亲水性、耐久性、优异的机械性能和编织柔性，在大规模水收集方面具有巨大潜力，同时也为多重配置设计、润湿性控制、流体操纵和微流体学等方面提供了启示。展望未来的工作和实际应用，螺旋槽的尺寸可以有更大的可调性，包括螺旋的数量和裂缝的大小。可以从以下几个方面进一步借鉴一些方法：1) 调整纤芯直径。改变直径可以获得更大的 HSK 高宽比，从而获得更复杂的螺旋形态。2) 改变涂层溶液的粘度和表面张力，从而改变瑞利不稳定性引起的 SK 大小。3) 扩展涂层法以外的制备方法，如多重浸渍法、微流体法、3D 打印法等，这将是未来一项很有前景的工作。（文：SSC）