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顶尖高水平论文

蜘蛛丝集水效应

我校与中科院化学所合作,通过对筛器类蜘蛛捕捉丝的水收集特性研究,揭示了其方向性集水效应机理,以封面作发表在英国《自然》上(Nature,

2010, 463, 640-643)(图1)。这个工作从微纳米层次上首次揭示筛器蜘蛛(Uloborus

Walckenaerius)的捕捉丝在遇到雾而润湿时,能利用纳米细纤维组成的蓬松和链接结构变成周期的纺锤结构和纤细的链接结构。并在纺锤结构和链接结构之间形成了表面能量梯度,和曲率梯度还产生拉普拉斯压差。通过这两个梯度力协同而作用到小尺度液滴上,从而达成一个连续不断的水凝结液滴从链接结构向纺锤结构方向的传输。进而聚集较大的水滴,展示超强的水收集能力。

该研究从微纳米层次上揭示了蜘蛛丝集水“多协同效应”机制,并通过设计人造蜘蛛丝,实现了小尺度液滴的方向性驱动,实现了纤维材料的高效集水特性。该工作被《自然》期刊等特征宣传(Nature 2010, 463, 618−618;Chemistry World 2010, 7, 27)。《自然》新闻网、英国广播公司新闻网、亚洲材料研究协会、美国物理学会、英国皇家化学科学学会、俄罗斯科学网等各大媒体以及世界范围的蜘蛛研究专家、动物学家、分子生物学家、微结构物理专家、生物工程专家等对该工作给予了极大关注。该工作为新型水收集材料的设计提供了模型。

图1  自然蜘蛛丝的方向性集水效应研究发表在《自然》期刊作封面报道:(左)筛器类蜘蛛捕捉丝的微纳米结构;(中)蜘蛛丝遇到湿度,结构改变成周期交替的纺锤结构和链接结构,纺锤结构有纳米细丝组成的无序结构;链接结构有纳米细丝组成的有序结构;(右)这种特征的结构,形成了表面能量梯度和拉普拉斯压差,并可协同,从而导致了凝结的微小液滴方向地聚集在纺锤结构上面,形成较大的液滴