本研究通过微流控装置调控内相、油相及外相的流速，实现了纺锤节高度、宽度及间距可控的结构化微纤维的一步法制备。通过雾水收集平台对不同形貌微纤维的收集效率测试，验证了该技术在高效集水领域的应用价值。

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.7b00670

文章信息

本文创新设计了一种含梭形管结构的流体聚焦微流控装置，实现仿生纺锤结雾收集微纤维的一次成型制备。通过调控各流体相的流速，可灵活调节微纤维的纺锤结高度、宽度及间距等结构参数。新方法通过制造具有纺锤结结构的微纤维，为高效雾气收集和水分收集提供了显著的便利。

研究背景

现如今，由间歇性缺水或水污染导致的水资源短缺问题愈发严重。开发创新性途径获取补充水源已势在必行。从雾中收集水分是解决该问题的可持续且经济高效的途径之一，尤其适用于这些干旱多雾地区。在自然界中，许多生物已进化出从雾中收集水分的生存能力，受这些生物的启发，科研人员开发了众多用于高效集水的仿生材料，包括润湿性梯度膜和结构化纤维。微流体纺丝凭借其在形貌控制、规模化制备和材料适应性方面的显著优势，已成为该领域的研究热点，然而，这些方法制备纺锤节结构时，主要依赖油滴或气泡的嵌入过程以及生成微纤维的变形，导致纺锤节形貌的调控难度较大 ——而形貌正是通过曲率梯度提升雾水收集能力的关键因素。因此，目前仍需开发简便方法，以灵活、高效地制备纺锤节微纤维。本文作者设计了一种新型同轴毛细管微流控装置，用于一步法制备纺锤节微纤维。本方法选用海藻酸钠（SA）作为微纤维的制备材料：作为一种水凝胶材料，海藻酸钠不仅具有优异的流动性，非常适配微流体系统，且在雾水收集领域的广泛应用中，已展现出良好的性能。此外，海藻酸钠的生物相容性还为其在生物医学领域的应用提供了潜力。更重要的是，通过调节特定相的流速，可灵活调控纺锤节的形貌。

研究成果

本文提出了一种新型、简易可行的微流控装置，可一步制备具有可控纺锤节的结构化微纤维。通过简单调节流动条件，能够灵活制备出一系列纺锤节高度、宽度及间距不同的形貌各异的微纤维。与直型微纤维相比，本文制备的结构化微纤维在雾水收集方面展现出显著优势。此外，为揭示微纤维特性对集水效率的影响，我们在雾水收集平台上对不同形貌的微纤维进行了性能测试。得益于装置的可控性与灵活性，该微流控装置在结构化微纤维制备领域具有潜在应用价值。而本文开发的结构化微纤维，则极有可能应用于高效集水、油水分离及药物包封等领域。

研究内容

Generation of Microfibers with Spindle Knots. Figure 1a describes the schematic illustrations of a microfluidic device for the fabrication of microfibers with periodic spindle knots. Fluids of four phases are injected by microfluidic syringes through the four injection channels, respectively. As a benefit from the special geometry of the theta-shaped tube, the two solutions of the inner phase can be injected into the microfluidic device simultaneously and proportionally, and the original septum inside the theta-shaped tube also prevents the premature cross-linking of two phases. By this novel design, the inner phase 2 is cross-linking the inner phase 1 at the tip of the theta-shaped tube and generating partial curing on the contact surface between the two inner phases. Then, the inner phases are transformed to the structure of a spindle knot under the combined effects of hydrodynamic shear, surface tension, and time delay of the hydrogel cross-link rather than sheared into a droplet as a result of the previously cured surface mentioned above (Movie S1 of the Supporting Information).After wholly cross-linking, finally, the microfiber with periodic spindle knots is transferred out of the microfluidic device and collected by a fiber collection roller. This method can generate microfibers with a controllable morphology and is suitable for large-scale production with a speed up to 1100 cm/min. In addition, the generated microfibers are immersed in a solution of 0.2 wt % CaCl2 for 24 h to enhance the mechanical strength of structured microfibers. To demonstrate the durability of spindle-knot microfibers, a cycle of fog collection was carried out 10 times consecutively on it. In this experiment, the spindle-knot microfiber is placed at 10 cm from the humidifier device with a fog flow rate of 1.6 mL/min. Each fog collection cycle is carried out for 10 min, and the collected water is weighed at the end of the collection cycle. As shown in Figure S2 of the Supporting Information, the spindle-knot microfiber is durable in the consecutive fog flow and maintains its ability without fracture.

本文设计了一种具有 θ 形管的流体动力聚焦微流控装置，可一步法制备用于雾水收集的仿生纺锤节结构微纤维。通过调节特定相的流速，可便捷调控结构化微纤维的形貌（包括纺锤节的高度、宽度及间距），其制备速率可达 1100 厘米 / 分钟。此外，在雾水收集平台上系统研究了不同微纤维对雾滴的捕获、传输及收集性能。结果表明，本文开发的一步法微流控装置为制备纺锤节结构微纤维提供了简易可行的方法，该类微纤维对高效雾滴捕获与水分收集具有重要促进作用。

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