——　第二部分 国家自然科学基金项目成果巡礼　——

蜘蛛丝集水系统的机理研究及仿生制备

　　自然界中的动植物经过几千万年的进化，被赋予了许多与生俱来的对抗恶劣环境的特殊本领。比如沙漠中的甲虫，可以利用其背部表面微米级的亲疏水区域的间隔分布，在晨雾中对水收集，以适应干旱的沙漠环境。向自然界学习，一直是科学家拓展研究领域的一个好方法。中科院化学所江雷工作组与北京航空航天大学的郑咏梅等合作者们，多年来一直致力于对生物表面水收集特性的探索和研究，并终于于2010年在该领域取得重大突破。

　　2010年2月4日， 该研究小组关于自然界蜘蛛丝上微区的集水机理研究的最新进展被Nature封面报道。筛孔蜘蛛的捕捉丝在干燥环境下，由亲水性的蓬松胀泡（称为“Puff”）组成，并周期性排列在两根主纤维上；然而在遇到雾气纤维吸水被润湿后，胀泡结构变成纺锤结（称为“Spindle-knot”），而贯穿其间的主纤维变为纤细的链接结构（称为“Joint”）。有趣的是，在纺锤结和链接结构上分别分布着无序和有序的纳米纤维结构，因而形成了表面能量梯度，同时由于曲率梯度还产生拉普拉斯压差，这两个梯度力的协同驱使下，雾气可以连续不断地凝结而形成小尺度液滴，并从链接结构向纺锤结方向传输，形成较大水滴，悬挂在蜘蛛丝上。该工作一经发表，不仅被各大媒体广泛关注，还同时受到世界各国专家和学者的高度评价。

　　受蜘蛛丝集水能力的启发，江雷工作组与合作者们进一步仿生制备了一系列具有纺锤结构造的人造纤维。在曲率变化、粗糙度梯度和化学组成的共同作用下，利用纺锤结构上不同聚合物亲疏水性能的不同，可以驱动数十皮升的水滴朝向或离开纺锤结构。这部分工作已经发表在材料科学领域的领先杂志Advanced Materials，并被Nature作为突出工作报道。

　　关于蜘蛛丝的集水“多协同效应”机制的研究和液滴驱动的人造纤维的仿生制备，大尺度的工业技术上和小尺度应用方面都颇有前景。比如，为设计新型的微流控表面有着启示作用; 为制备大规模收集雾气中水的人造纤维网，来供给水源缺乏地区人们的需求提供了理论依据; 为实现不同成分的化学物质的聚集和驱动，以促进快速而有效的反应等方面提供了指导方向。