Young方程是理解復(fù)雜的濕潤場的最基本的起點。粗糙度是影響水接觸的一個重要參數(shù)。用來討論表面粗糙度與表觀接觸角的模型有Wenzel模型和Cassie模型。在Wenzel模型的基礎(chǔ)上，Cassie和對Young方程進行了進一步的擴展和修正，提出了復(fù)合接觸的概念，建立了一個新的粗糙表面結(jié)構(gòu)模型。

人們認(rèn)為，如果水滴不能穿透粗糙表面上的粗糙結(jié)構(gòu)，空氣就會被困在表面的凹槽中，形成一個“氣墊”，水滴會停留在由固體和氣體組成的復(fù)合表面上。這一假設(shè)更接近真實狀態(tài)。

潤濕性是指包括植物和動物在內(nèi)的許多生物的表面在宏觀和納米尺度上都具有不尋常的結(jié)構(gòu)特征，可以控制自身的集水行為。蜘蛛絲和仙人掌具有相似的集水原理，已證明它們凝聚的微小液滴是由表面能量梯度和拉普拉斯壓差驅(qū)動的。

蜘蛛絲集水原理

在整個蜘蛛絲集水過程中，紡錘頭在初始階段起凝結(jié)點的作用，然后在這些節(jié)點處起到小水滴的聚集點的作用，反之，節(jié)點主要起凝結(jié)點的作用。這是因為主軸比節(jié)點更親水，具有更高的表觀表面能。由于表面能梯度作用力的影響，給定的表面粗糙度是不同的。

自然界中的蜘蛛種類繁多，但其分泌的蜘蛛絲具有特殊的集水性能。蜘蛛絲纖維的直徑從微米到毫米不等。不同蜘蛛絲之間的差異很難用肉眼區(qū)分。蜘蛛絲纖維具有高韌性、高強度、彈性好、耐高溫、耐紫外線、易生物降解等優(yōu)良特性。

2010年，Zheng等人發(fā)現(xiàn)紡錘形蜘蛛絲結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的水蒸氣凝結(jié)和收集性能，并發(fā)現(xiàn)干燥條件下的蜘蛛絲結(jié)構(gòu)與霧化條件下的不同。采用熱拉尼龍絲制備了主軸周期性結(jié)構(gòu)，并進行了水蒸氣冷凝和收集試驗。

蜘蛛絲的吸水能力歸因于一種獨特的纖維結(jié)構(gòu)，由周期性的紡錘和接頭組成。周期性紡錘由隨機無序的納米纖維組成，接頭由排列整齊的納米纖維組成。在潮濕的環(huán)境中，首先在蜘蛛絲上重建蜘蛛關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，然后在重建的蜘蛛絲上凝結(jié)水滴。然后，微小的水滴在驅(qū)動力的作用下向主軸接頭移動，實現(xiàn)集水。

一段蜘蛛絲纖維是由紡錘節(jié)和節(jié)理組成的微觀結(jié)構(gòu)。驅(qū)動蜘蛛絲纖維表面小液滴運動的力是由表面自由能梯度和拉普拉斯壓差產(chǎn)生的。表面能梯度可由表面化學(xué)組成或表面粗糙度的差異引起，從而驅(qū)動小液滴向表面能較高的可濕區(qū)移動。這項研究不依賴外力，而是依靠表面結(jié)構(gòu)的梯度來驅(qū)動小液滴進行定向收集。

蜘蛛絲集水機理的發(fā)現(xiàn)，帶來了捕集霧氣領(lǐng)域的革命性突破，研究的重點開始從重力集水轉(zhuǎn)移到材料表面的結(jié)構(gòu)和潤濕性上，確定了特殊界面材料在捕集霧氣中的中心地位。

仿蜘蛛絲研究

受蜘蛛絲高集水效率的啟發(fā)，許多研究人員對仿蜘蛛絲進行了研究，因此仿蜘蛛絲的方法有很多種：基于乳液的同軸微流體法、流體包覆法、可編程微流體法、電液動法、傾斜浸涂法、潤濕和水滴模板相結(jié)合、以及浸涂法。

不同研究團隊成果

• Bai等人：報道了通過聚合物拉伸、靜電紡絲、微流控技術(shù)等制備蜘蛛絲結(jié)構(gòu)。
• Hou等人：在纖維表面涂覆了一層聚合物溶液。纖維經(jīng)第一次拉伸后，在恒溫恒濕箱中處理，然后進行第二次拉伸，制備出不同尺寸的紡錘體交替的周期性結(jié)構(gòu)。單秤主軸的周期性結(jié)構(gòu)具有較好的水蒸氣冷凝和收集性能。
• Chu等人：引入一種簡單而靈活的微流控策略，以可控的方式制造蜘蛛絲狀微纖維，生物相容性海藻酸鈣(CaAlg)可調(diào)節(jié)磁性固體紡錘結(jié)，以確保三維組裝和水收集。微流控經(jīng)過化學(xué)交聯(lián)、溶劑蒸發(fā)、干燥等一系列過程，獲得了液體噴射模板，制備了含有磁性Fe3O4的絲狀CaAlg微纖維。溶劑蒸發(fā)和干燥過程對脫水后的紡錘結(jié)產(chǎn)生起著關(guān)鍵作用。只要簡單地改變流速，就可以精確地控制超細(xì)纖維和紡錘結(jié)的大小以及紡錘結(jié)之間的距離。由于磁紡錘結(jié)是可控的，因此在磁場作用下，微纖維可以自我操縱，以更可控的方式構(gòu)建組合體結(jié)構(gòu)來收集水分。磁操作演示了在不同的二維和三維磁場設(shè)置下可控的移動，圖形化和裝配。重要的是，這些蛛絲狀CaAlg微纖維的構(gòu)建塊對于構(gòu)建復(fù)雜的三維支架用于水收集、細(xì)胞培養(yǎng)和組織工程具有重要意義。
• Li等人：模仿蜘蛛絲的原理，制備了不同化學(xué)成分、形態(tài)和結(jié)構(gòu)的仿生蜘蛛絲結(jié)構(gòu)纖維，并研究了紡錘結(jié)大小對其霧水收集能力的影響。與光滑的纖維相比，這些蜘蛛絲狀結(jié)構(gòu)可以顯著提高霧水收集效率。

存在問題及改進

這些紡錘結(jié)的均勻性和周期性限制了收集液滴的長距離和大規(guī)模傳輸。研究表明，紡錘形結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生斜率效應(yīng)和曲率效應(yīng)，抑制纖維表面液滴三相接觸線的收縮，導(dǎo)致液滴在纖維表面脫落的滯后。

針對這一問題，Zheng等人提出了自己的看法。改進了以往的仿生蜘蛛絲制備方法，采用多次浸漬和傾斜法制備具有多級紡錘的仿生纖維。由于不同大小的紡錘結(jié)對液滴的毛細(xì)作用力不同，使得懸浮在不同尺寸的紡錘結(jié)上的液滴進行定向熔合，實現(xiàn)了收集液體的長距離輸送，提高了收集效率。

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