仿蛛丝纤维集水进展

吕艾霖，田野,2

（1.东北大学 医学与生物信息工程学院，沈阳 110016；2.东北大学佛山研究生院，广东 佛山 528300）

水是生命之源，是人类在生产生活及社会发展过程中必不可少的自然资源。然而，在社会经济发展和全球气候变化进程中，淡水资源危机加剧，水资源短缺问题已经成为世界性难题[1-3]。面对全球水资源短缺问题，诸如海水淡化、膜技术等技术被提出，但这些技术大都存在成本高昂、技术复杂等问题[4]。雾气是由悬浮在大气中的大量微小水滴组成，占地球上所有淡水的近 10%[5]。如果能对雾气淡水资源加以利用，就能在一定程度上缓解水资源的危机。于是，水汽收集的概念被提出。水汽收集是通过收集空气中的雾气或水蒸气来实现集水的过程。水汽收集方面的研究在近十年来受到广泛的关注[6]。

自然总能给人们最好的启示。清晨，蜘蛛网上挂满了硕大的水滴，这一现象启示人们蛛丝是良好的水收集器。近些年来，由蛛网集水现象所激发的仿生纤维集水技术越来越受到人们的关注，其为解决水资源短缺的问题提供了一个良好的思路。Zheng 等[7]详细研究了自然界中蜘蛛丝的结构特征，并发现蛛丝具有高效集水性能的原因在于，其独特的周期性纺锤节结构，这种结构使得纺锤节与其连接关节处存在一个指向纺锤节的拉普拉斯压力差。另外，由于纺锤节处表面的纳米纤维排列随机，而连接关节处表面的纳米纤维排列有序，这导致了二者表面粗糙度不同，从而使两者之间产生了表面能梯度，该表面能梯度也可以产生一个指向纺锤节的驱动力。在拉普拉斯压力差和由表面能梯度产生的驱动力的共同作用下，凝结在蛛丝表面的小水滴可以持续从连接关节处往纺锤节处移动，实现连续的定向水收集。最后，当纺锤节处水滴的体积达到临界值时，水滴滴落，开启下一集水周期。

受到蛛丝集水行为的启发，科研人员制作出了仿蛛丝纤维，并将这种具有周期性纺锤节和链接关节的微纤维广泛应用于集水领域。基于此，本文将全面介绍仿蛛丝纤维集水领域的最新研究进展。具体介绍仿生微纤维的制备方法、集水原理、集水行为、影响纤维集水效率的因素，并对仿蛛丝纤维集水的未来发展做出展望。本文能使人们更加系统和全面地了解仿生纤维集水领域，并促进该领域在制备技术和集水性能等方面的进一步研究，也将对新型功能材料的设计、基于纤维的传感器、油水分离、流体控制等领域提供科学指导。

1 蛛丝的独特结构

自然界中的蛛网是蜘蛛使用一种梳状装置，将丝纤维从吐丝器中分离出来，形成许多非常细的纤维。蜘蛛丝的扫描电镜（SEM）图像展示了它的结构，由纳米纤维组成的泡芙状蓬松结构沿两条主轴纤维排列，由节隔开，如图1a 所示。图1b 中的放大图像显示了随机纳米纤维组成的泡芙状蓬松结构，这些高度亲水的纳米纤维增强了蜘蛛丝的润湿性，有利于水滴的凝结。当干燥的蜘蛛丝被置于雾中，它的结构随着水开始凝结成水滴发生变化，水滴在拉普拉斯压力差和表面能量梯度的驱动下沿着蛛丝纤维移动。在初始阶段，微小的水滴（图1c 中箭头所指的黑色点）凝结在半透明的绒毛上。然后随着水的持续凝结，泡芙状蓬松结构收缩成不透明的凸起（图1d、e），最终形成周期性的纺锤节（图1f），并实现集水功能[7]。

图1 原始蜘蛛丝的独特结构[7]Fig.1 Unique structures of original spider silk[7]: a) SEM image of spider silk; b) puff like fluffy structure composed of random nanofibers; c—f) the process of spider silk forming spindle node structure from puff like fluffy structure

2 制备方法

蜘蛛丝独特的形貌和表面微结构可以实现快速、高效的水收集，这种优异的集水性能促使众多研究人员开发出许多技术来制备仿蛛丝纤维，从而实现在雾气或者潮湿大气中进行高效水收集。下文将简要介绍现有的主要仿蛛丝纤维制备技术。

2.1 瑞利不稳定法

2.1.1 浸涂法

浸涂法是一种低成本、易操作且被广泛使用的仿蛛丝纤维制备方法（图2a）。该方法主要制备过程如下：将尼龙丝或碳纤维等水平浸渍在聚合物溶液中，待尼龙丝或碳纤维被完全浸没后，该纤维被浸涂机以一定速度缓慢地从聚合物溶液中水平取出，取出的纤维表面附着柱状聚合物溶液涂层。由于聚合物溶液的瑞利不稳定性，柱状聚合物涂层会断裂成聚合物液滴，悬挂在纤维上。待溶剂蒸发或聚合物液滴干燥后，纤维的表面就会形成周期性的纺锤节-连接关节结构[8-11]。浸涂法具有制备简单方便，成本低，可以通过调整溶液浓度、纤维抽取速度来控制纺锤节的形态和间距等优点。但是由于浸涂法利用了液滴的瑞利不稳定性，系统本身就是非稳状态，极易受到外界干扰，所以浸涂法的缺点是不仅不能连续制备仿蛛丝纤维，而且还非常容易受到外部因素的影响，并且对蛛丝纤维的形貌可控性较差[9-14]。

图2 瑞利不稳定法制备仿蛛丝纤维Fig.2 Preparation of spider-silk-inspired fiber by rayleigh instability methods: a) principle of dip coating method[9]; b) inclined angle dip coating method[15]; c) fluid coating method[16]

浸涂+拉伸法[12]需要使用具有弹性的纤维，如弹性尼龙绳等。在制备时，将弹性尼龙绳浸入PDMS/固化剂/甲苯溶液中，纤维完全浸没后，以一定速率水平抽出，PDMS 溶液会在弹性尼龙纤维表面形成薄薄的一层膜。由于瑞利不稳定性，PDMS 薄膜会随即断裂成许多小液滴，在70 ℃的温度下固化12 h 后，PDMS 液滴就会在尼龙纤维上凝固成纺锤节。值得一提的是，由于PDMS 具有较低的杨氏模量、较高的弹性和结构柔性，因此纺锤节的大小尺寸可以很容易地通过拉伸比来进行调节。以不同的拉伸比对纺锤形节点处的尼龙纤维施加一定的拉力，在拉伸后，除了能够调节纺锤节的尺寸外，纤维的表面还会因为受到牵拉而产生裂纹或者单轴向的褶皱，从而使纺锤形节点从中间到两边形成明显的粗糙度梯度。该方法只适用于具有一定的弹性和和柔性的材料，不具有普适性[12]。

“Breath figure”法[13]是最初由Francois 等人首次以二硫化碳为溶剂，在高湿度条件下制备了基于星形聚合物的蜂窝状有序膜。在浸涂+“breath figure”法[14]中，用丙酮萃取法清洗碳纤维后，将一定长度的单一碳纤维用胶带固定在U 型支架上，并施加一定的张力。环氧树脂E-44 与二亚乙基三胺按10∶1 的比例混合，用来制备具有合适黏度和反应速率的树脂系统。浸入树脂系统里的碳纤维以不同的速度被水平抽出，这样碳纤维表面就会包覆上一层树脂薄膜，在瑞利不稳定性的作用下，这层薄膜沿着碳纤维断裂成树脂液滴。在一定相对湿度下，对纺锤形树脂液滴进行固化，从而得到仿蛛丝纤维。不同的固化条件（如反应时间、温度、湿度等）可以制备出具有不同形貌的纺锤节结构的仿蛛丝纤维。

倾斜角度浸涂法[15]是一种改良版的浸涂法，一根与水平面呈一定倾角的均匀的尼龙纤维被牢牢地固定在支撑物上（图2b）。以相同的方法，先将尼龙纤维浸入聚合物溶液，不同的是，该尼龙纤维随后以一定速度和一定倾斜角被拉出。具有一定厚度梯度的倾斜的聚合物薄膜包覆在尼龙纤维上，聚合物薄膜在瑞利不稳定性作用下，自发地、渐渐地、自上而下地断裂成聚合物液滴。由于表面张力的作用，为了最小化液滴的能量，这些聚合物液滴自动形成对称的椭圆形。固化这些液滴之后，即获得具有纺锤形节点梯度的仿蛛丝纤维。

2.1.2 流体涂层法

由于浸涂法的连续性较差，且不能进行大规模制备，所以在浸涂法的基础上开发了流体涂层法[16]（图2c），其可用于连续大规模制备仿蛛丝纤维。具体操作方法如下：将固定好的尼龙纤维水平浸入装有聚合物溶液的容器中，器壁上装有两根用来引导尼龙纤维的毛细管。尼龙纤维从毛细管中心穿过，来确保涂覆的稳定；尼龙纤维的另一端与滚动电机相连。当电机启动时，纤维被匀速拉出，当尼龙纤维被拉出装有聚合物溶液的容器时，其表面涂覆均匀的聚合物溶液膜。由于瑞利不稳定性，聚合物溶液膜破裂成液滴，溶剂蒸发后，就形成了具有纺锤节结构的纤维。流体涂层法的优点在于其同样具有纤维宏观结构的可控性，且更便于完成大规模连续仿蛛丝纤维的制备。流体涂层方法的缺点是对纤维微观结构的可控性较差，而且容易受到干扰。

2.2 电动力学技术

电动力学技术是一种简单、连续、快速地制备仿蛛丝纤维的方法[17-24]，但其存在对纤维形貌可控性差、耗能高和高电压风险等缺点[17-22]。

2.2.1 静电纺丝法

静电纺丝法[17]被广泛应用于制备各种聚合物纤维。它利用静电力把聚合物溶液或熔体制备成细纤维。一般来说，实验装置由带有扁平金属针的注射器和一张铝箔纸组成。注射器里填满聚合物溶液，在重力作用下流出。铝箔被放置在注射器下方作为收集器（图3a），采用直流高压发生器来产生高压，其阳极和阴极分别连接在金属针头和铝箔上。项链状仿生纳米纤维的形成，可以被视为在表面张力作用下，电纺射流的毛细破裂，从而在纤维表面形成类似于纺锤节的结构[18-28]。

图3 电动力学技术制备仿蛛丝纤维Fig.3 Preparation of spider-silk-inspired fiber by electrodynamic technology: a) electrospinning[25]; b) coaxial electrospinning[30]

2.2.2 湿组装静电纺丝法

湿组装静电纺丝法[19]是一种改进的静电纺丝法。湿组装静电纺丝法是在静电纺丝制备出超细纤维的基础上，随机地粘附一些纳米颗粒，将带有纳米颗粒的超细纤维水平固定在支架上，并将其置于相对湿度较高的环境中，以此来延长润湿周期。小水珠会凝结在纳米颗粒表面，并携带纳米颗粒，携带着纳米颗粒的小水滴会聚集成携带大量纳米颗粒的较大液滴。这样，在水分干燥后，纳米颗粒在纤维上形成珠状结构。该制备方法可以通过控制相对湿度和润湿次数，来控制珠状结构的体积和周期。

2.2.3 同轴电纺法

同轴电纺[22,29]的原理与静电纺丝法相同，实验装置为同轴排列的两根金属针，内部的金属针用于形成聚合物溶液的喷射细流，溶剂蒸发或固化后形成超细纤维丝，外部的金属针用于形成珠状结构（图3b）。目前一般使用黏性聚苯乙烯（PS）溶液作为内相溶液，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）溶液作为外相溶液。内部的PS 溶液被拉伸形成纤维，外部的PMMA 溶液流出，并附着在PS 纤维表面。由于瑞利不稳定性，PMMA 溶液膜破裂成许多液滴。在溶剂挥发后，即得到带有珠状结构的纤维。

2.3 微流控法

目前，微流控技术因其能够可控地制备纺锤节微纤维，受到越来越广泛的应用。微流控法不仅克服了浸涂法和流体涂层法需要事先准备纤维的弊端，避免了静电纺丝过程中的高压风险，还能够同时组装多种材料，自由调节纺锤节的大小与间距，在制备超细纤维方面具备独特的优势。但该类方法存在产量较低，容易造成系统堵塞等缺点[31-36]。

2.3.1 集成纺丝-涂层-乳化同轴毛细管微流控法

该方法是在同轴毛细管微流控系统里，同时集成了纺丝过程、涂层过程和乳化过程，可以直接用来制备仿蛛丝纤维。微流体装置由共轴组装在玻璃载玻片上的三根圆形玻璃毛细管和一根方形玻璃毛细管组成[37]。在三根共轴排布的玻璃毛细管里，最内部的玻璃毛细管和中间的玻璃毛细管均被拉制成锥形，且被打磨至理想口径，以便控制纤维直径。向典型最内部的玻璃毛细管注入一种预凝胶溶液，以此来制备纯圆柱形的纤维（这就是纺丝过程），中间相由固化剂、水凝胶前体和光引发剂组成，用来固化由最内部的玻璃毛细管产生的纤维。水凝胶前体从中间相流出，并涂覆在纤维上（这是涂层过程），随后在外相的影响下，水凝胶前体涂层断裂成液滴。用紫外光固化纤维上的水凝胶前体液滴，形成固态纺锤节结构，从而实现仿蛛丝纤维的制备（图4a）[38]。该方法具有一定的复杂性，操作难度较大，实际操作中需要严格控制各个过程参数，避免系统堵塞。

图4 微流控法制备仿蛛丝纤维Fig.4 Preparation of spider-silk-inspired fiber by microfluidic method: a) coaxial capillary microfluidic method[41]; b) pneumatic valve microfluidic chip spinning method[40]

2.3.2 基于乳液的同轴微流控法

基于乳液的同轴微流控法[31]一般采用水包油乳液[33]或水包气乳液[34]。实验装置主要是由两个注射针头、两根同轴放置的毛细管、一根玻璃方管和一块玻璃片构成[39]。在制备过程中，水相为连续相，气或油为分散相。所有的液体都需要用注射泵泵入玻璃毛细管微流控系统里，气体可以用气体调节器注入微流控系统。分散相在连续相切割作用下产生液滴或气泡，并被连续相包裹。包裹液滴或气泡的连续相经纺丝孔，被挤入固化溶液，从而固化连续相，形成纺锤结微纤维。此方法也可以通过改变内、外相的流量或气压，来调节纤维直径、纺锤节的大小和节间距。该方法系统简单，操作方便，可以实现发蛛丝纤维的连续可控制备。

2.3.3 气动阀微流控芯片纺丝法

气动阀微流控芯片纺丝法[35,40]是一种模仿蜘蛛吐丝过程的方法。实验装置由微流控芯片和数字控制器组成，每一个注射通道口都有阀门来控制流出液体的体积。通过调节气动阀，便可制备具有可调直径和纺锤节尺寸的仿蛛丝纤维（图4b）。该方法的优点之一是可以制备具有不同成分、可控形貌和结构的微纤维，其缺点是芯片系统复杂，芯片制备难度较大，成本相对较高。

2.4 制备方法比较

制备仿蛛丝微纤维的常见方法有浸涂法、电动力学技术和微流控法。在这些方法中，浸涂法是最容易进行制备操作的一种方法，然而由于其制备纤维连续性较差，且在制备的过程中极易受外界因素干扰，该方法较多地被该领域的初学者所使用，其使用广泛性较低[9-14]。电动力学技术能够较为快速、连续地制出仿蛛丝纤维，然而因其使用危险的高压电，且难以对纤维上纺锤节结构的尺寸和形状等进行自由调控，一定程度上限制了纺锤节微纤维在集水领域的应用[17-28]。微流控法具有灵活可控、安全稳定等优势，因此近年来使用微流控法制备仿蛛丝纤维逐渐成为研究热点。目前，通过对微通道内液体流速及组分的调节，能够实现对纤维上纺锤节的大小、间距和表面粗糙度等的调控。虽然该制备方法存在产量较低、通道管口易堵塞等问题，但仍是研究仿蛛丝纤维集水领域使用较为广泛的一种方法[31-36]。

3 集水机理

仿蛛丝纤维集水在集水领域越来越受到人们重视。为了从机理角度揭示集水过程，研究者们在过去几年间提出了很多适用于仿蛛丝纤维集水的机理模型，例如驱动力模型、阻力模型和液滴悬挂能力模型等。这些模型可以帮助人们对仿蛛丝纤维集水过程有更深更好的理解，同时，也可以更好地指导人们对集水仿蛛丝纤维进行设计和优化。

3.1 拉普拉斯压差

在蛛丝或仿蛛丝纤维上凝结的小水滴能从连接处定向移动到纺锤节的最主要动力之一就是，在蛛丝或者仿蛛丝纤维表面由不同曲率梯度或形状梯度所导致的拉普拉斯压力差。通常情况下，由拉普拉斯压力差引起的驱动力可以表示为[42-45]：

式中，z是沿着纤维轴向的位置变量，z1和z2分别代表纺锤形节点较小局部半径和较大局部半径所对应的位置，r(z)是纤维的局部半径，R0是水滴的半径，a是纺锤节的半顶角，dz是半径沿主轴直径方向的积分变量，γ是水的表面张力。在图5a 中，靠近连接处（即高曲率处）的拉普拉斯压力大于靠近纺锤节中心处（即低曲率处）的拉普拉斯压力。因此，拉普拉斯压差指向仿生微纤维纺锤结中心。在该压差的驱动下，微小的水滴向纺锤节中心方向定向移动，逐渐聚集，最终形成较大的水滴悬挂在仿生蛛丝纤维的纺锤节上。

3.2 表面能梯度

驱动液滴定向移动到纺锤节的另一个主要的驱动力是由纤维表面的表面能量梯度。表面能梯度高度依赖于纤维的化学成分和纤维表面的粗糙度。一般来说，纤维的化学成分和表面粗糙度与纤维的润湿性有密切关系。一方面，从材料的亲疏水角度来说，疏水表面的表面能较低，亲水表面的表面能较高。另一方面，从表面的粗糙度来说，对于亲水纤维，表面粗糙度大的具有更高的表面能；而对于疏水微纤维，表面粗糙度大的具有更小的表面能。根据Wenzel 定律（式(2)）[42-45,47]，在蛛丝纤维上，连接处的粗糙度小，亲水性较差，而纺锤节处的粗糙度大，亲水性较强。所以液滴向表面能较高的纺锤节方向移动，最终汇聚在纺锤节处。

式中，θω为表观接触角，θ为本征接触角，r为表面粗糙度因子。由表面能梯度所产生的驱动力Fω（图5b）可表示为[7,44]：

式中，γ(l)是水的表面张力；θA和θR是水滴在纤维表面的前进角和后退角（根据Wenzel 定律，θA<θR）；l是靠近连接处（Lj）到纺锤节（Lk）在长度上的积分变量。由表面能梯度所产生的驱动力Fω由表面能较低的连接处指向表面能较高的纺锤节方向。因此，由表面能梯度所产生的驱动力Fω可以推动水滴从连接处向纺锤节定向移动。

3.3 滞后效应

水滴在运动中存在滞后阻力，阻碍水滴的定向运动。水滴在纤维表面凝结的初期，由于水滴过于微小，水滴在纤维表面的接触角一般是在两个差别不大的角度间变化，这就造成了接触角滞后现象，此时的滞后阻力作用尤为明显，且驱动力不足以抵抗滞后阻力，液滴几乎不发生移动。而随着液滴的收集与凝结，液滴体积增大到临界值，即拉普拉斯压力差与表面能梯度产生的合力能够克服水滴的滞后阻力时，液滴才实现定向移动[48-49]。

3.4 悬挂能力

悬挂能力是仿蛛丝纤维最重要的特性之一[49-50]，仿蛛丝纤维的最大液滴承载量也取决于其悬挂能力的大小。在集水的过程中，小液滴不断聚集，形成大液滴，在达到最终体积临界值前，会一直悬挂在纤维表面，而液滴在滴落时的临界体积大小就反映了纤维的悬挂能力大小。微纤维收集的最大水容量由水的重力和表面力的垂直分力（对纤维的粘附力）之间的平衡决定。水的重力可表示为：

而表面力的垂直分力可以表示为：

式中，ρ是水的密度，V是液滴体积，g是重力加速度，γ为水的表面张力，L为三相接触线的长度，θ为水滴与纤维表面的表观接触角，α为离轴角。

当水滴刚刚脱离微纤维时，sina非常接近1，由于滴落时的临界条件恰好是液滴重力等于表面力的垂直分量，所以可得临界时的液滴体积为[49-50]：

根据临界体积的公式可以得知，当纺锤节处的三相接触线L越长，液滴的临界体积越大，在一次集水的过程中，悬挂的液滴体积就越大。同样地，当纤维材料的亲水性越好时，θ代表的水滴与纤维表面的表观接触角就越小，液滴的临界体积也越大。所以，从悬挂能力的角度来看，亲水材料的多节仿蛛丝纤维往往能够具有更加优越的集水性能。

3.5 交叉结构受力

在仿蛛丝纤维方面，交叉结构也是提高集水效率的好方法[46,51]。由多纤维交叠所构成交点处的交叉结构能够更高效地收集液滴。在交叉结构附近时，液滴两端的固液界面张力几乎没有差异，所以液滴移动的驱动力仅来自水滴两端的液气界面张力的差异，而这个液气界面张力差指向交叉结构处，促使水滴聚结并向交叉点移动。驱动力F可以表示如下[51]：

式中，σ1-g为水滴的液气界面张力，l为水滴在一根微纤维内的接触线长度，α为微纤维交叉结构顶角的一半，θ为水滴在微纤维上的接触角。由于水滴前端的表面张力朝向交点σ1-glcos(θ‒α)，总是大于远离交点尾端的表面张力σ1-glcos(θ+α)，所以驱动力的方向指向交点，导致液滴能够被输送到交点（图5c）。

图5 仿蛛丝纤维集水机理Fig.5 Water collection mechanism of spider-silk-inspired fiber: a) schematic diagram of Laplace differential pressure principle[45];b) schematic diagram of directional movement of droplets driven by surface energy gradient[7]; c) force analysis of droplet drive[46]

4 集水行为

4.1 单根仿蛛丝纤维集水

普通的仿蛛丝纤维是由周期性的纺锤形节点和连接处组成。通常情况下，纺锤形节点部分的亲水性要比连接处部分更强。普通仿蛛丝纤维集水过程如下：当仿蛛丝纤维被放置在潮湿的环境中时，在初始阶段，微小的水滴随机凝结在纺锤形节点和连接处。但是，由于受到滞后效应的影响，此时的水滴受到较大的阻力，并不能移动。随着微小液滴的连续凝结，水滴逐渐增大，当水滴足够大时，由拉普拉斯压力差和表面能梯度引起的驱动力开始发挥作用。水滴便可以在驱动力的作用下，由连接处向纺锤形节点处移动。在纺锤形节点处的水滴越来越大，直至从节点处掉落，然后继续上述周期性的集水行为（图6a）。虽然单根仿蛛丝纤维具有一定的集水性能，但其在集水效率及悬挂能力方面仍存在一定的局限性。

图6 仿蛛丝纤维集水行为Fig.6 Water collection behaviors of spider-silk-inspired fiber: a) single fiber catchment[43]; b) double fiber cross catchment[43];c) multi fiber cross structure catchment[46]; d) catchment system composed of different radius lines[43]; e) large-scale spider mesh topology network catchment[43]

4.2 纤维交叉结构集水

纤维交叉结构有更复杂的形状梯度，这可以引起更大的拉普拉斯压力差。另外，在交叉结构上三相接触线也被大大地延长了。三相接触线长度（TCL）是影响集水效率的一个重要因素。所以，通过构造交叉结构来增大TCL，从而提高了悬挂水滴的临界体积和集水效率（图6b、c）。

Dong 等[46]提出了一种多纤维交叉结构的集水方案。多纤维交叉点是一种新型的高效雾收集单元。一开始，微小的水滴随机地凝结在各微纤维上。然后水滴向纺锤节移动，形成较大水滴。接下来，一根纤维上的水滴与相邻微纤维上的另一个水滴在交叉点处结合，形成了一个更大的水滴。当更大的水滴足够大时，从交叉点掉下来，开始下一个收集循环。这样的系统结构具备了高效集水性能和较好的悬挂能力，为设计高效集水的仿蛛丝纤维提供了新的创新点。

4.3 大规模集水

目前对于仿蛛丝纤维集水的研究大多停留在单根蛛丝纤维或单个纺锤节结构上，对于大规模集成仿蛛丝纤维网络集水的方面研究较少。

Tian 等[43]利用腔状微纤维组装成蜘蛛网状的拓扑网络，用于大规模的集水。蜘蛛网状拓扑网络由螺旋线和半径线组成，半径线即指从蛛网拓扑网络中心点出发，呈放射状发散的纤维，螺旋线即指半径线间螺旋相连的纤维。研究发现，当半径线的数量越多，拓扑网络的集水性能就越好。这是因为更大半径的微纤维可以相交更多的交叉点，从而获得更大的集水能力（图6d、e）。通过构建这种纤维拓扑网络集水，成功实现了大规模、高效的水收集。

5 结论与展望

本文主要介绍了目前较为常用的几种仿蛛丝纤维制备法、仿蛛丝纤维的集水原理以及集水行为。目前，仿蛛丝纤维已经具有了能够实现较好集水性能、进行大规模集水的优势，能够在未来关于集水的工业生产中作为一种较好的基础集水模型，并为缺水地区的人民带来福音。然而，目前的仿蛛丝纤维仍旧存在一些不足，比如收集到的水滴会悬挂于纺锤节处，并需要经过较长的悬挂时间后才能滴落，不能快速进入下一个集水周期，从而导致无法实现对水的快速、高效收集。与能够在较为干旱的环境中集水的仿仙人掌刺材料相比，仿蛛丝结构的纤维在集水时，对环境湿度具有较高的依赖性，虽然其同样可以应用在较为干燥、湿度较低的环境下，但其集水的效率会降低。在未来的研究中，应该注重对水滴的高效收集和利用更先进的加工制备工艺来提高仿蛛丝纤维的性能，提高液滴的收集速度，真正实现高效、快速、大规模的水收集。同样，如何能够使仿蛛丝纤维在较为干旱、湿度较低的环境中实现高效率集水也是未来研究的方向之一。此外，为进一步提高仿蛛丝纤维的集水性能与应用，今后仍需深入地研究能够制备出连续性好、纤维结构可控性强、力学性能优良、耐久性好的仿蛛丝纤维的技术方法，以及研究如何让蛛丝纤维的表面微结构具有最优异的集水性能的技术等。本综述提供了一个全面的视角，使人们了解仿蛛丝纤维集水领域的研究进展，希望能为功能材料的设计提供好的途径，促进仿蛛丝纤维应用的开发、改善和拓展，促进诸如纤维基传感器、油水分离、流体控制和功能材料等领域的发展。