-

2021年2月12日发(作者：快乐的跳吧)

在湿润的蜘蛛丝上的水的定向聚集

郑咏梅

柏豪

黄忠兵

田学林

聂富强

赵勇

翟金和江雷

很多生物的表面包括植物 和动物，在介观和纳米尺度上拥有非同寻常的结构特点，可

以控制他们自身的水的作用即 润湿度。沙漠中的甲虫给我们提供了一个非常有趣的例

子，它们用背上的毫米大小的憎水 和亲水的区域来获取超市空气中的水分。人们在赞

美带有露滴的蜘蛛网的同时，也会意识 到

蜘蛛丝同样具有极好的从空气中富集水的能

力。在这里，我们展示出了多孔性蜘蛛丝的采集水的能力。草间虫无蛛

便是在润湿之

后由于其独特的纤维结构而形成的，具有润湿—重组的纤 维结构特点。这些纤维结构

是有着周期性的纺锤头，这些放锤头是有随机排列的纳米级原 纤维构成，又被那些由

对齐的纳米原纤维隔离开。这些结构特点导致了纺锤节点和连接处 得表面能梯度和拉

普拉斯压力的差异，他们一起构成了在放锤头出形成连续的冷凝和水滴 的定向聚集的

因素。

亚毫米的小液滴 被证明是通过表面能梯度和拉普拉斯压力差驱动的，然后至今为止在

其自身上没有找到力 来克服很大的迟滞效应（使亚毫米的小液滴的运动很困难）。蜘

蛛丝在这些驱动力中起到 了开孔的作用。我们有这些发现而引发了灵感，设计了人工

纤维来模仿蜘蛛丝的结构特征 和展现它的对水的定向富集能力。

蜘蛛丝是由对水敏感的亲水 鞭状蛋白组成，而且是一个具有极其优良的机械力学性能

代表。另外一个很有趣但是却没 有被研究的特点是它从潮湿空气中吸水的能力

(

在补充

图一中

)

。可以在多孔性蜘蛛制造的网看到它， 他们用像一个梳子器械的具空筛来用从

那喷丝器拉出的丝纤维隔离开来，以便制成特别优 良的纤维。

FIG1 SEM

图像说明了其

< br>结构。胀泡是由沿着两个主轴

85.6

±

5.1

μ

m

周期分布的纳米原 纤维构成的。胀泡的直

径是

130.8

±

11.1

μ

m

。图

b

的图像电子放大显示了胀泡的确是由随机的纳米原纤维

（直径

20~30

μ

< br>m

）所构成。这些高度吸水性的纳米原纤维加强了蜘蛛丝的润湿性，这

< p>
对于冷凝水滴很有用。

将干燥的蜘蛛丝置于雾中 时，其结构随着水的开始冷凝及形成沿着丝纤维移动的水滴

而改变。在最初的阶段里，小 的水滴（图中用箭头标出的黑点）在半透明的胀泡上冷

凝。随着水冷凝的继续，胀泡开始 收缩成不透明的突起，最终变成周期性排列的纺锤

头。雾对蜘蛛丝的机械力学性能的影响 在前面已经做了记录，同时当前的观察证明了

在具筛孔蜘蛛丝的情况下，这种材料由于润 湿而改变了其结构。具有定向的水的聚集

在经过结构——润湿——重组的过程后开始。< /p>

为了分析这个过程，将润湿—重组的蜘蛛丝的图像分成四个不同 的区域，每个都有一

个连接点。当置于薄雾中时，小的水滴（标志为

1

至

10

）

随机地在节点和纺锤头处冷凝。随着冷凝的继续，液滴逐渐长大，同时在节点处的液

滴有定向的向最近的放锤头处移动，并在此液滴联合形成大的水滴。在

< br>1

和

2

区域形

成的液滴

1

至

5

< p>
，最后形成一个聚集体。我们法相这种定向的水的聚集行为仅发生在

由草间 虫无蛛纺出的润湿的丝纤维上（即润湿—重组的丝上），而对于蚕丝和带有全

同结构的尼 龙纤维，并没有水的定向聚集的现象。

为了探究更多的关于纤 维结构在水定向聚集的行为中的作用，我们在

Fig3

外界的

SEM

图像中展示了润湿

-

< p>
重组的丝。润湿的蜘蛛丝是由交替的周期为

89.3

±

13.5

μ

m

纺锤头

和节点（顶角

2

β

≈

19

°）组成。纺锤头和节点的直径分别为< /p>

21.0

±

2.7

μ

m

和

8.9

±

1.2

μ

m

。纺锤头放大的图像显示了其高度随机的纳米原纤维形成了较粗糙的形貌，而比较

节点 的图像发现它是由沿着相对平行于丝纤维主轴方向排列的纳米原纤维组成，并且

形成各向 异性的均衡性

和相对光滑的形貌。这些结构特点可以造成表面 能梯度的增加

和拉普拉斯压力差，这和下面详细阐述的作为水定向聚集的驱动力起到相同 的作用。

表面能梯度可以由表面化学成分不同或者表面粗糙度不同而导致，而这些表面能 梯度

将会驱使水滴向更加润湿的带有跟高表面能的区域移动。根据

Wenzel

法则：

cosθw=rcosθ

其中

r

是表面粗糙度，

θ

w

和

θ

是在粗糙表面表观接触角和在光 滑表面的内在接触角。

至于亲水性的蜘蛛丝，他的化学成分并没有像纤维那样改变多少， 但是节点处有一块

小的绕轴平行的粗糙区域，因此存在比纺锤头更大的与水的接触角。< /p>

在这个过程中，纺锤头在最初阶段起到了冷凝点的作用，之后作 为那些节点处小水滴

的的聚集之处。相反的是，节点主要起到了冷凝点的作用。（

Fig2g-u

中的黑色箭头），

水汽在那 里冷凝为水滴并被传送到纺锤头处。更重要的是，水滴离开节点和传送至纺

锤头处，之后 ，一个新的水的冷凝聚及定向集循环就在节点处开始了。在

Fig2i

< br>中可以

看到，水滴

1

”

2''

在水滴

1' 2

’形成并移动之纺锤头后，开始冷凝。将这些因素综合

归纳之后，这些图像可以阐述节 点作为一个水冷凝点和纺锤头主要作为谁的聚集点和

不间断的定向聚集的水收集处，他们 之间的协同作用。

这是因为纺锤头比节点更具有亲水性，且有 更高的表观表面能。由于表面能梯度导致

的力的作用，引起了给定的表面粗糙度的不同。

-

-

-

-

-

-

-

-