中国研究员发现蜘蛛丝的方向性集水效应

2010年02月11日09:15  来源:《科学时报》

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  Nature作为封面报道刊登


  本报讯在有雾的早晨,蜘蛛网会闪闪发光,这表明它们能以很高的效率从潮湿空气中收集水滴。对蜘蛛网所作的一项研究显示,这种能力取决于蜘蛛网湿了之后所发生的一个结构变化。“湿后重构”的纤维以周期性纺锤节为特征,后者由随机的纳米纤维构成,被排列整齐的纳米纤维节点分隔开。这种结构在纺锤节和节点之间产生一个表面能量梯度,并在作用在与纺锤节或节点相接触的水滴上的压力上产生一个差别。这样可以确保水能在节点周围不断凝结,然后被输送到纺锤节上,在那里它能积聚成悬挂起来的大水滴。

  这一反映蜘蛛丝积水机理上的突破性成果近日被Nature作为封面报道刊登。该研究成果出自中科院化学研究所研究员江雷院士及其合作者。

  “如模仿变湿的蛛丝结构制造出同样结构的人造丝就能从薄雾中收集水滴。”江雷向《科学时报》介绍,这一研究工作基于几年来对生物表面特殊浸润性的研究基础和对生物表面水收集特性进探索所获取的成果。通过仔细观察自然界蜘蛛丝上微区水收集行为,他们发现了几十微米尺度的液滴能够在蜘蛛丝上从一个区域移到另一个区域而展示了运动的方向性,并从微纳米结构层次上揭示了其集水的“多协同效应”机制。

  江雷进一步解释说,他们在探究中发现,筛器类蜘蛛的捕捉丝在遇到雾而润湿时,能由纳米细纤维组成的蓬松“Puff”和链接结构变成周期的突起结构(Spindle-knot)和纤细的链接结构(Joint)。有趣的是,在Spindle-knot上形成了无序分布的纳米纤维结构,而在Joint上则形成了有序排列的纳米纤维结构。这些结构特性在Spindle-knot和Joint之间形成了表面能量梯度,同时由于曲率梯度还产生拉普拉斯(Laplace)压差。正是这些微观多结构的耦合,这两个梯度的力协同地作用到小尺度液滴上,使蜘蛛丝能够达成一个连续不断的水凝结,并完成凝结液滴从Joint到Spindle-knot的方向的传输。结果是较大的水滴能够被快速而高效率地收集,并稳定地挂在蜘蛛丝上,因而产生超强的水收集能力。这种微纳米结构的多协同力效应,已在初步构建的仿生人造类蜘蛛丝纤维上,实现了小尺度液滴的方向性驱动。

  “通过揭示蜘蛛丝的水收集机制和初步的仿生研究,在对小尺度液滴的方向性驱动上打开了一个新的开端。”江雷表示,这个蜘蛛丝的集水“多协同效应”机制,将启发科学家设计微流体中的新型的微流控表面;设计大规模的人造纤维网以收集空气、雾气中的水,来供给水源缺乏地区人们的需求;设计精美的催化材料,通过微观结构效应,驱动不同成分的化学物质聚集,促进快速而有效的反应;此外,还可以设计纤维网状材料,以用到工业加工和生产过程中的浮质过滤等。

  布莱克斯堡维吉尼亚工学院蜘蛛丝专家Brent Opell指出,此成果不仅对蜘蛛丝的性能进行了很好的描述,而且建立了一个关于蜘蛛丝的数学模型。英国牛津大学动物学家Fritz Vollrath说:“作者正在研究一种人造蜘蛛丝……这种丝被浸润以后,能够提高捕捉水的效率。”

  不仅如此,不少科学家认为,这项研究成果也将具有广阔的应用前景。美国怀俄明州大学同样从事蜘蛛丝的研究的分子生物学家Randolph Lewis认为,这项研究将对当前的纤维材料本身产生影响。他介绍,蜘蛛丝有一种特性,就是不被任何材料所匹配,“如果我们能了解到怎样去匹配这个特性,我们将会研制出一种较高性能并具有广泛应用前景的绿色材料。”德国Bremen大学生物工程学家Andrew Martin指出,这一技术无疑会应用于大尺度的工业技术上,而且在小尺度应用方面也颇有前景。

(责任编辑:马丽)
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