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生命学院孟涛教授团队超强仿生蜘蛛丝规模化高效集水

来源:办公室   作者:     日期:2022-03-21   点击数:  


近日,国际化学领域权威期刊《Journal of Materials Chemistry A》(影响因子12.732)报道了我校孟涛教授团队的研究成果“Highly efficient water harvesting of bioinspired spindle-knotted microfibers with continuous hollow channels”中文译名:“具有中空连续通道的仿蜘蛛丝微纤维用于高效集水”(DOI: 10.1039/D2TA00242F)。论文第一作者为生命学院硕士研究生刘环宇同学,通讯作者为孟涛教授,西南交通大学为通讯作者单位。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)。


1 蜘蛛丝网上布满水滴(来源于网络)

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(图1)。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。



2 纤维网络大规模集水(a),液滴悬挂单根纤维的机理(b

受天然蜘蛛丝集水行为的启发,孟涛教授等设计并制造了一种具有高效集水性能的中空纺锤节微纤维(图2)。这种形貌可控,具有连续中空通道的周期性纺锤节微纤维是基于微流控多相层流方法,利用双水相(ATPS)的分区特性所制备的。相比于实心纺锤节微纤维,中空微纤维展现出更加优异的液滴悬挂能力、定向输送、增长速度以及集水效率(图3)。

3 中空纺锤节微纤维集水性能和微观形貌

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。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,从而提高了纤维悬挂液滴的能力。

本论文受到国家自然科学基金项目(21776230),四川省科技厅重点研发项目(2020YFG0092、2021YFN0129),中央高校基础研究基金(2682021ZTPY031、2682021CX087)的资助。本研究报道的具有连续中空结构的周期性纺锤节微纤维,展现出了优异的集水性能,并揭示了中空结构提升纤维集水能力的机理,有望为仿生蜘蛛丝纤维的大规模集水、药物递送以及生物医学领域应用提供绿色平台。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。

论文链接:


 


四川省劳模和技能人才创新工作室&生命学院“微纳生物技术”创新团队介绍:

       以孟涛教授、邱忠平教授、廖海副教授、黄新河副教授、郭婷高工、王垚磊博士、李加洪博士、苑昊博士为主的科研团队聚焦微纳米尺度下生物反应、药物递送和功能材料等重大问题,一直倡导将前沿性基础研究成果与国民经济发展和国家重大需求紧密相连。在以下方面开展科研工作:(1)微纳米尺度的生物反应分离、(2)微流控液滴技术的生命分析、(3)微纳米药物缓控释技术研究、(4)微纳米农业和环境生物技术。目前课题组正承担多项国家自然科学基金项目、省部级重点研发项目和企业合作课题。已发表高水平学术论文100余篇,申请国家发明专利50余项,并开展工业生物技术转化。