功能化微纤维材料在药物释放、环境工程、组织工程、催化检测、可穿戴设备和仿生集水等领域具有巨大的潜在应用价值。可控制备结构多样化的功能微纤维材料对进一步丰富其功能及扩大应用范围具有重要意义。相较于如浸涂法,静电纺丝法等传统制备方法,微流控技术可以在微纳米尺度上精确调控微小流体流动,在制备多样化形态、结构、组成和功能的微纤维材料方面展现出卓越的能力。受自然界蜘蛛网凝结水滴这一现象启发,研究人员开发出可从雾气中收集液滴的新型人造仿蛛丝纤维。新型人造仿蛛丝纤维具有周期性的“结点-连接”结构和复杂的表面纳米结构。这种结构特性使得在纤维结点和连接部分形成表面自由能梯度差和拉普拉斯压力差。在二者协同作用下,小液滴朝结点方向定向驱动并凝结成大液滴,从而实现快速高效的水收集。受此启发,若采用复合材料策略制造仿蛛丝微纤维,并以此为模板对结点结构进行调整改造,或可实现更高效的水收集。

近日,由香港大学机械工程系王立秋教授课题组和东北大学医工学院田野副教授课题组通力合作,在近期的《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上发表了一篇题为“Hourglass-shapedMicrofibers”的文章,文章的第一作者是香港大学在读博士研究生石睿,通讯作者为香港大学王立秋教授和东北大学田野副教授。文章介绍了以微流控技术可控制备具有多样化结构的仿蛛丝纤维模板,利用非溶剂致相分离法对未完全交联的仿蛛丝纤维内包裹油相进行操控,从而构建具有多样化形态及组分的沙漏型微纤维。利用酒精作为萃取剂,一方面,海藻酸钠水凝胶纤维实现了从水凝胶、醇凝胶到干凝胶的转化。另一方面,纺锤结内的油滴可溶于乙醇,随着纺锤结腔内乙醇挥发,纺锤结表面起皱凹陷,形成沙漏型微纤维。通过调节微流控仿蛛丝纤维模板形态及纤维内油滴扩散过程,制备出多样化的沙漏型微纤维,极大地丰富拓展其结构和功能。与传统仿蛛丝纤维相比,该沙漏型微纤维具有重量轻,易保存,形貌可控,表面粗糙度高,整体比表面积高等特点。

该沙漏型微纤维在湿度调节和液滴吸附性能方面均有较好表现。一方面,沙漏型微纤维内陷的褶皱使得表面粗糙度增加,具有更高的表面能。另一方面,沙漏型结点和连接结构较大的曲率梯度赋予较高的拉普拉斯压力差。纤维的进一步脱水使沙漏型结点的间距变小,吸水能力更强,相同长度下的沙漏型纤维较之纺锤状纤维具有更长的三相接触线。三者协同作用下,沙漏型纤维悬挂液滴能力更强,吸水效率更高。实验证实,相同湿度条件下,单根沙漏型纤维祛湿能力约为仿蛛丝纤维的1.3倍。单根沙漏型纤维收集水的最大体积约为结点本身体积的571倍,是仿蛛丝纤维收集水体积的1.83倍。利用单根纤维上的多协同效应机制,研究人员设计交叉人造纤维网以最大限度收集雾气中的水。总长度为60厘米的纤维编织成的人造网在10分钟内可收集0.54毫升的水。这款质轻、价廉、性优、高吸水性的沙漏型纤维不仅在除湿、流体控制、定向驱动和大规模集水方面有优异的表现,而且在光学、电子、药物输送和组织工程等领域也具有巨大的应用前景。

香港大学王立秋/东北大学田野:微流控仿蛛丝纤维模板法可控制备功能化沙漏型微纤维
图1.微流控沙漏型微纤维材料制备过程(a)用于制备沙漏型微纤维微流控示意图,(b)沙漏型微纤维的演变过程,(c-d)结点内油滴随时间变化过程及对应的沙漏型纤维,(e)结点内油滴体积与沙漏型结点体积关系,(f)纺锤结点与沙漏型结点轮廓关系,(g)结点内泄漏油滴体积与时间关系。
香港大学王立秋/东北大学田野:微流控仿蛛丝纤维模板法可控制备功能化沙漏型微纤维
图2.微流控沙漏型微纤维形态(a)沙漏型微纤维的扫描电镜图,(b-d)沙漏型微纤维连接部分,过度部分,结点部分的扫描电镜图,(e-g)沙漏型微纤维连接部分,过渡部分,结点部分的表面微结构,(h)连接部分的实心截面,(i-j)沙漏型纤维截面。
香港大学王立秋/东北大学田野:微流控仿蛛丝纤维模板法可控制备功能化沙漏型微纤维
图3.微流控沙漏型微纤维吸湿能力(a)不同湿度下,沙漏型纤维与仿蛛丝纤维吸湿能力对比,(b)吸湿能力与时间关系,(c)吸湿能力与纤维长度关系,(d)沙漏型微纤维的周期吸湿能力。
香港大学王立秋/东北大学田野:微流控仿蛛丝纤维模板法可控制备功能化沙漏型微纤维
图4. 单根微流控沙漏型微纤维液滴吸附(a)单根沙漏型微纤维液滴吸附原理示意图,(b-c)单根沙漏型微纤维与仿蛛丝纤维收集到的水滴对比,(d)所收集到的水滴的体积与时间的关系,(e)水滴从空腔微纤维的一个或多个结点脱离的TCL图示,(f)最大收集水体积与TCL 关系,(g)所收集的水滴向特定方向的移动距离与时间的关系,(h-i)合并释放能量与合并后速度与合并液滴体积的关系。
香港大学王立秋/东北大学田野:微流控仿蛛丝纤维模板法可控制备功能化沙漏型微纤维
图5. 微流控沙漏型微纤维网络液滴吸附(a)沙漏型微纤维网示意图,(b)沙漏型微纤维网收集水原理示意图,(c)交叉结构与平行结构集水的示意,(d)呈2α角度的2个空腔微纤维交叉结构的集水量与角度的关系,(e)收集的水体积与微纤维数量的关系图,(f)具有三根承重空腔微纤维的拓扑网状结构收集水过程。

 

 

该研究介绍了微流控液流模板法和非溶剂致相分离法可制备具有多样化沙漏型结构的功能微纤维材料,该材料具有自重轻,密度可调,高比表面积,高吸湿能力和高集水性等特点,为新型功能微纤维材料的创新设计和可控制备提供科学指导。

论文连接:

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.0c04824

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