中国计量大学包福兵&侯立凯：一步微流控制备具有纺锤结结构的仿生微纤维，用于雾气采

摘要：全球约40亿人面临缺水问题，尤其在干旱和多雾地区，间歇性缺水和水污染问题尤为严重。从自然界中汲取灵感，许多生物（如纳米布沙漠甲虫、仙人掌和蜘蛛丝）通过特殊的润湿性表面或独特的宏观结构实现高效的雾水收集。受此启发，研究者开发了多种仿生材料用于水收集，其中具有纺锤

全球约40亿人面临缺水问题，尤其在干旱和多雾地区，间歇性缺水和水污染问题尤为严重。从自然界中汲取灵感，许多生物（如纳米布沙漠甲虫、仙人掌和蜘蛛丝）通过特殊的润湿性表面或独特的宏观结构实现高效的雾水收集。受此启发，研究者开发了多种仿生材料用于水收集，其中具有纺锤结结构的仿生蜘蛛丝因其高效的雾水捕获能力和可规模化生产的潜力而备受关注。然而，现有制备方法在调控纺锤结形态方面存在局限性，亟需开发一种灵活高效的制备方法，以优化纺锤结结构并提升雾水收集性能。

近期，中国计量大学包福兵教授、侯立凯副教授等人设计了一种基于θ形管的微流控装置，可一步制备具有纺锤结结构的仿生微纤维，通过调节流速灵活调整微纤维形态，显著提升雾水捕获与收集效率，为高效水收集材料的开发提供了新方法。相关研究以“One-Step Microfluidic Fabrication of Bioinspired Microfibers with a Spindle-Knot Structure for Fog Harvest”为题目发表于期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》。

本文要点：

1、本研究设计了一种基于θ形管的水动力流动聚焦微流控装置，可一步制备具有纺锤结结构的仿生微纤维，用于雾气收集。

2、通过调节特定相的流速，可以灵活调整微纤维的形态，包括纺锤结的高度、宽度和间距，生产速率可达1100 cm/min。

3、在雾气收集平台上进行的测试表明，这种纤维的纺锤结结构通过诱导拉普拉斯压力差，促进水滴向纺锤结中部移动，从而显著提高了水雾捕获和收集效率。

4、这种一步式微流控装置为制造具有纺锤结的结构化微纤维提供了一种便捷的方法，为高效雾水收集等应用提供了新的解决方案。

本研究设计了一种水动力流动聚焦微流控装置，能够一步制造具有可控形态的纺锤结结构微纤维。通过调节不同相的流速，可以灵活调整微纤维纺锤结的形态，具体如下：

1、内相流速（Fin）的增加会使纺锤结的高度和宽度增大。当Fin从0.2 mL/h增加到2.1 mL/h时，纺锤结高度从0.07 mm增加到0.23 mm，宽度从0.53 mm增加到1.04 mm。

2、中间相油相流速（Foil）的增加会使纺锤结的高度减小，但宽度增大。当Foil从1.5 mL/h增加到3.4 mL/h时，高度从0.21 mm降到0.14 mm，宽度从0.77 mm增加到1.14 mm。

3、外相流速（Fout）的增加会使纺锤结的高度和宽度都减小。当Fout从0.8 mL/h增加到2.7 mL/h时，高度从0.27 mm降到0.15 mm，宽度从1.12 mm降到0.78 mm。

4、Foil和Fout的调节还可以影响相邻纺锤结之间的间距。当Fout保持在30 mL/h，Foil从3 mL/h增加到5 mL/h时，间距从1.3 mm增加到2.0 mm。而当Foil保持在4 mL/h，Fout从10 mL/h增加到30 mL/h时，间距从1.4 mm增加到2.0 mm。

总之，通过灵活调节三相的流速，可以精细控制微纤维纺锤结的高度、宽度和间距，从而优化其在雾水收集等应用中的性能。

使用纺锤结结构的微纤维进行雾气收集具有以下优势：