质疑江雷的筛孔蜘蛛丝集水

瑞雪

质疑江雷的筛孔蜘蛛丝集水 江雷在《Directionalwater collection on wetted spider silk》《润湿蛛丝上的定向水分富集》（Nature, 2010, 463,640-643）中称他们发现在筛孔蛛丝上存在有水汽连续凝结和水滴向纺锤节定向收集。江雷认为筛孔蛛丝的纳米纤丝有高亲水性，筛孔蛛丝表面的不同位置结构不同带来蛛丝不同位置表面有能量梯度，蛛丝上水滴两侧表面曲率不同带来水滴两侧的Laplace 压差，能量梯度和Laplace压差可以驱动蛛丝上Joint处的水滴移动。文章中江雷没有提出可能存在蛛丝以外的能量推动蛛丝上的水滴连续不断被移动，图Figure2/g/h/i和此图介绍显示水滴还可以连续不断被从蛛丝低端输送到高端。但是如果没有蛛丝以外的能量推动，即使在水平的蛛丝上有水珠被连续不断被输送也不符合能量守恒定律。江雷的论文表明他可能发现了永动机。
干燥的滤纸可以把荷叶上的小水滴横向吸引移动或向上吸离荷叶（见滤纸吸水视频），但滤纸吸水饱和后滤纸就不能再吸水了，因为其表面能被释放，蛛丝也是如此。在可以不断凝水的环境中，蛛丝表面有水珠经过后，蛛丝的表面能就会被释放，蛛丝表面就不应再有表面能了。干燥的滤纸与荷叶表面间有可以推动水滴移动、上升的能量梯度，干燥的滤纸接触水滴的瞬间水滴就开始移动，干燥的滤纸接触水滴后水滴不可能不移动。
“水滴移动”是水滴前后两侧向一个方向移动，“水滴长大”是水滴一侧向外扩张另一侧不动或两侧都向外扩张。控制加湿器雾气浓度可使水滴停止长大。雾气中任何一种不很亲水的材料上都可以凝结出水滴并且此水滴可以长大与其它水滴相遇合并（在没有能量梯度和Laplace压差情况下也同样），“水滴长大”不是“水滴移动”，水滴长大接触合并不是水滴移动。
筛孔蛛丝上的水滴每时每刻都处在江雷所称的蛛丝表面能量梯度中、处在Laplace压差力中，因此蛛丝Joint处只要有水滴，水滴就应该有移动现象，应该像干燥的滤纸接触水滴后出现的现象。我对筛孔蛛丝集水的观察是，筛孔蛛丝上Joint处有水滴由小长大的过程，在水滴长大或水滴大小不变的时间进程中都有水滴不动的现象，水滴长大一段时间后有水滴跳跃移动现象或有因水滴长大出现的水滴间接触合并现象，蛛丝上Joint处不长大的水滴不能在蛛丝上移动。江雷录像也显示筛孔蛛丝上Joint处的水滴不能随时都在移动，长大的水滴才能移动或接触合并。

滤纸吸水 https://www.zhihu.com/video/1484773090810490880

蛛丝上Joint处水滴可以不动 https://www.zhihu.com/video/1486610770943799296

江雷蛛丝集水短片nature08729-s2 https://www.zhihu.com/video/1484771284541829120

蛛丝上的水滴如果受能量梯度和Laplace压差作用那么水滴应该移动，如果水滴受力后不动一定是遇到了阻力，阻力只能来自蛛丝，那么蛛丝是水滴移动的动力还是阻力？如果水滴不动之后又移动了，那么水滴一定是又受到力的推动，动力来自何处？筛孔蛛丝“Spindle-knot”处有过水滴后“Spindle-knot”处就不可能还有表面能，江雷文章的图片显示，筛孔蛛丝“Spindle-knot”处有水滴时，还有水滴不断向此处移动与之合并（图2h-i），为什么？
蛛丝上水滴连续不断被移动确实没有蛛丝外部能量输入吗？如果没有蛛丝以外的能量输入，就是江雷确实发现了永动机，如果有蛛丝外部的能量输入，那么此项研究没有意义，不能确定是能量梯度和Laplace压差驱动了水滴的传输。江雷蛛丝上的水滴不断长大说明“蛛丝水滴系统”一定有外部物质输入，“蛛丝水滴系统”肯定没有外部能量输入吗？
我曾给江雷去信询问不长大的水滴是否可以在蛛丝上移动？没有得到回复。如果有水滴可以随时都在蛛丝上移动、不长大的水滴可以在蛛丝上移动的证据，请出示。
雾气可在材料表面凝结为水，如果凝水在两种材料表面分别呈现出有水滴和没有现水滴（表面湿润），那么哪种材料集水能力强？筛孔蛛丝的集水能力强还是水滴自身的集水能力强？蛛丝上的水滴长大是蛛丝集水还是水滴在集水？
筛孔蛛丝有纳米纤丝结构就有高亲水性吗？荷叶表面也有纳米结构，荷叶也能集露水，荷叶有高亲水性吗？滤纸上水的接触角是0°，荷叶表面水的接触角可以是160°，筛孔蜘蛛网的网芯位置是一个蛛丝较密实的平面（见后图），在此网芯平面上测水滴的接触角约126°。早晨芦苇叶上有露水凝出了，芦苇边的筛孔蜘蛛丝上却没有凝水没有滴水，筛孔蛛丝的纳米纤丝有高亲水性？没有搞反？

询问水珠在筛孔蛛丝上移动问题
发件人：jianpingcao@sohu.com
收件人：jianglei, zhaoyong
时　间：2010年10月7日 16:17:51

江雷老师、赵勇老师你好：
看过你们的Nature论文后对你们的发现很感兴趣。现有一些问题。
1你们的潮湿、雾环境是如何制成的？
2不长大的水珠可否在筛孔蛛丝或你们的人造丝上移动？
3你们展示了水滴在人造丝上移动的图片组，展示了水滴在蛛丝上移动的录像，可以观看一下水滴在人造丝上移动的录像吗？

谢谢曹建平

关于江雷人造蛛丝的问题。

1 前五幅人造蛛丝集水图中，“Spindle-knot”处为什么没有从空气中集水？为什么没有更为亲水的能力？
2 六幅人造蛛丝图中“Spindle-knot”左侧平直段蛛丝为何不能集水而右侧可以？
3 前四图中最右端（红圈内隐约）的水滴为什么不移动？
4 后三图中大水滴可以长大移动右下小水滴为什么不长大、不移动？水滴在潮湿环境中是可以集水的。
5 人造蛛丝集水的录像没有丢失吧？

《 我国学者在蜘蛛丝集水机理上的取得突破性研究成果 》

作者:陈荣梁文平　　　发表时间:2010-02-08　　　来源:化学科学部

2010年2月4日出版的英国《自然》杂志（Nature, 2010, 463, 640-643）刊登了中国科学院化学研究所江雷院士与合作者们在蜘蛛丝集水机理上的突破性研究成果，并作为封面报道。该工作基于几年来对生物表面特殊浸润性的研究基础（Nature, 2004, 432, 36; Adv. Mater. 2002, 14, 1857-1860）和对生物表面水收集特性的探索，仔细观察自然界蜘蛛丝上微区水收集行为，发现了几十微米尺度的液滴能够在蜘蛛丝上从一个区域移到另一个区域而展示了运动的方向性，并从微纳米结构层次上揭示了其集水的“多协同效应”机制。
在探究中发现，筛孔蜘蛛（Uloborus Walckenaerius）的捕捉丝在遇到雾而润湿时，能由纳米细纤维组成的蓬松“Puff”和链接结构（图1）变成周期的突起结构（称为“Spindle-knot”）和纤细的链接结构（称为“Joint”）（图2-3）。有趣的是，在Spindle-knot上形成了无序分布的纳米纤维结构（图3c），而在Joint上则形成了有序排列的纳米纤维结构（图3e）。这些结构特性在Spindle-knot和Joint之间形成了表面能量梯度，同时由于曲率梯度还产生拉普拉斯（Laplace）压差 (图4)。正是这些微观多结构的耦合，这两个梯度的力协同地作用到小尺度液滴上， 使蜘蛛丝能够达成一个连续不断的水凝结，并完成凝结液滴从Joint到Spindle-knot的方向的传输。 结果是较大的水滴能够被快速而效率地收集，并稳定地挂在蜘蛛丝上，因而产生超强的水收集能力。这种微纳米结构的多协同力效应，已在初步构建的仿生人造类蜘蛛丝纤维上， 实现了小尺度液滴的方向性驱动 （图5）。
该工作将预示可以解决以往在小尺度液滴驱动上的瓶颈问题。例如，以往研究中，当表面能梯度或者拉普拉斯压差被分别地设计到一个表面上时，较大尺度（几百微米尺度以上）的液滴是容易地被驱动的。但是随着液滴尺度的降低，接触角粘滞将严重阻碍液滴的行为，从而使液滴（less than 200 mm）的移动变得相当困难。通过揭示蜘蛛丝的水收集机制和初步的仿生研究，在对小尺度液滴的方向性驱动上打开了一个新的开端。
这个蜘蛛丝的集水“多协同效应”机制，将启发科学家们设计微流体中的新型的微流控表面；设计大规模的人造纤维网以收集空气、雾气中的水，来供给水源缺乏地区人们的需求；设计精美的催化材料，通过微观结构效应，驱动不同成分的化学物质聚集，促进快速而有效的反应；此外，还可以设计纤维网状材料，以用到工业加工和生产过程中的浮质过滤等等。
该项研究工作得到了国家自然科学基金重大研究计划、重大国际合作基金、面上项目基金等资助。
http://www. nsfc.gov.cn/Portal0/Inf oModule_375/29369.htm