功能化微纖維材料在藥物釋放、環(huán)境工程、組織工程、催化檢測(cè)、可穿戴設(shè)備和仿生集水等領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。可控制備結(jié)構(gòu)多樣化的功能微纖維材料對(duì)進(jìn)一步豐富其功能及擴(kuò)大應(yīng)用范圍具有重要意義。相較于如浸涂法，靜電紡絲法等傳統(tǒng)制備方法，微流控技術(shù)可以在微納米尺度上精確調(diào)控微小流體流動(dòng)，在制備多樣化形態(tài)、結(jié)構(gòu)、組成和功能的微纖維材料方面展現(xiàn)出卓越的能力。受自然界蜘蛛網(wǎng)凝結(jié)水滴這一現(xiàn)象啟發(fā)，研究人員開發(fā)出可從霧氣中收集液滴的新型人造仿蛛絲纖維。新型人造仿蛛絲纖維具有周期性的“結(jié)點(diǎn)-連接”結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的表面納米結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)特性使得在纖維結(jié)點(diǎn)和連接部分形成表面自由能梯度差和拉普拉斯壓力差。在二者協(xié)同作用下，小液滴朝結(jié)點(diǎn)方向定向驅(qū)動(dòng)并凝結(jié)成大液滴，從而實(shí)現(xiàn)快速高效的水收集。受此啟發(fā)，若采用復(fù)合材料策略制造仿蛛絲微纖維，并以此為模板對(duì)結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整改造，或可實(shí)現(xiàn)更高效的水收集。
近日，由香港大學(xué)機(jī)械工程系王立秋教授課題組和東北大學(xué)醫(yī)工學(xué)院田野副教授課題組通力合作，在近期的《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上發(fā)表了一篇題為“Hourglass-shapedMicrofibers”的文章，文章的第一作者是香港大學(xué)在讀博士研究生石睿，通訊作者為香港大學(xué)王立秋教授和東北大學(xué)田野副教授。文章介紹了以微流控技術(shù)可控制備具有多樣化結(jié)構(gòu)的仿蛛絲纖維模板，利用非溶劑致相分離法對(duì)未完全交聯(lián)的仿蛛絲纖維內(nèi)包裹油相進(jìn)行操控，從而構(gòu)建具有多樣化形態(tài)及組分的沙漏型微纖維。利用酒精作為萃取劑，一方面，海藻酸鈉水凝膠纖維實(shí)現(xiàn)了從水凝膠、醇凝膠到干凝膠的轉(zhuǎn)化。另一方面，紡錘結(jié)內(nèi)的油滴可溶于乙醇，隨著紡錘結(jié)腔內(nèi)乙醇揮發(fā)，紡錘結(jié)表面起皺凹陷，形成沙漏型微纖維。通過(guò)調(diào)節(jié)微流控仿蛛絲纖維模板形態(tài)及纖維內(nèi)油滴擴(kuò)散過(guò)程，制備出多樣化的沙漏型微纖維，極大地豐富拓展其結(jié)構(gòu)和功能。與傳統(tǒng)仿蛛絲纖維相比，該沙漏型微纖維具有重量輕，易保存，形貌可控，表面粗糙度高，整體比表面積高等特點(diǎn)。
該沙漏型微纖維在濕度調(diào)節(jié)和液滴吸附性能方面均有較好表現(xiàn)。一方面，沙漏型微纖維內(nèi)陷的褶皺使得表面粗糙度增加，具有更高的表面能。另一方面，沙漏型結(jié)點(diǎn)和連接結(jié)構(gòu)較大的曲率梯度賦予較高的拉普拉斯壓力差。纖維的進(jìn)一步脫水使沙漏型結(jié)點(diǎn)的間距變小，吸水能力更強(qiáng)，相同長(zhǎng)度下的沙漏型纖維較之紡錘狀纖維具有更長(zhǎng)的三相接觸線。三者協(xié)同作用下，沙漏型纖維懸掛液滴能力更強(qiáng)，吸水效率更高。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，相同濕度條件下，單根沙漏型纖維祛濕能力約為仿蛛絲纖維的1.3倍。單根沙漏型纖維收集水的最大體積約為結(jié)點(diǎn)本身體積的571倍，是仿蛛絲纖維收集水體積的1.83倍。利用單根纖維上的多協(xié)同效應(yīng)機(jī)制，研究人員設(shè)計(jì)交叉人造纖維網(wǎng)以最大限度收集霧氣中的水。總長(zhǎng)度為60厘米的纖維編織成的人造網(wǎng)在10分鐘內(nèi)可收集0.54毫升的水。這款質(zhì)輕、價(jià)廉、性優(yōu)、高吸水性的沙漏型纖維不僅在除濕、流體控制、定向驅(qū)動(dòng)和大規(guī)模集水方面有優(yōu)異的表現(xiàn)，而且在光學(xué)、電子、藥物輸送和組織工程等領(lǐng)域也具有巨大的應(yīng)用前景。
該研究介紹了微流控液流模板法和非溶劑致相分離法可制備具有多樣化沙漏型結(jié)構(gòu)的功能微纖維材料，該材料具有自重輕，密度可調(diào)，高比表面積，高吸濕能力和高集水性等特點(diǎn)，為新型功能微纖維材料的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和可控制備提供科學(xué)指導(dǎo)。
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