近年來，微納纖維以其優(yōu)異的納米尺度效應(yīng)、高比表面積及豐富多孔的結(jié)構(gòu)在醫(yī)學(xué)、航天環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用，成為當(dāng)今先進(jìn)材料極具挑戰(zhàn)的前沿方向之一。其均勻的微納尺寸被認(rèn)為是一種成本低廉且易于操縱的微反應(yīng)器。2019年，南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、化工學(xué)院陳蘇教授團(tuán)隊(duì)提出微流控（microfluidic）紡絲化學(xué)（Fiber Spinning Chemistry，F(xiàn)SC）的概念（Adv. Sci. 2019, 6(22), 1901694），即在微流控紡絲過程中，以微納纖維為載體，借助微流控芯片，將反應(yīng)物在紡絲過程中原位發(fā)生反應(yīng)生成納米纖維雜化材料，利用微納纖維納米反應(yīng)器的限域效應(yīng)，可以方便地制備出先進(jìn)的納米材料，此類納米材料不易團(tuán)聚，制備過程無廢水產(chǎn)生，是一條方便綠色合成納米材料的方法，受到廣泛關(guān)注。

近期，南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、化工學(xué)院陳蘇教授團(tuán)隊(duì)在以往長期研究的基礎(chǔ)上，撰寫了微流控紡絲化學(xué)及應(yīng)用的綜述，全面總結(jié)了先進(jìn)FSC策略與應(yīng)用。尤其重點(diǎn)討論了微流控芯片在FSC過程中的調(diào)節(jié)作用。此外，還總結(jié)了FSC策略在熒光納米材料合成、多維纖維非織造布和全天候智能紡織品方面的應(yīng)用。

圖1 紡絲化學(xué)的原理、策略和應(yīng)用示意圖

該文章以“Recent advances in microfluidic fiber-spinning chemistry”為題發(fā)表在Journal of Polymer Science期刊上。南京工業(yè)大學(xué)碩士研究生宋研為第一作者，南京工業(yè)大學(xué)陳蘇教授、于曉晴博士后為通訊作者。

微流控紡絲化學(xué)的分類

微流控技術(shù)是一項(xiàng)能夠?qū)ξ⑼ǖ乐械牧黧w進(jìn)行精確和系統(tǒng)操縱的先進(jìn)技術(shù)。該技術(shù)能夠在微平臺上靈活組合多功能組件，在微流控芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)微流控紡絲化學(xué)反應(yīng)，與傳統(tǒng)紡絲方法相比，此紡絲過程不再是一種物理牽伸的過程，而是一個紡絲化學(xué)的過程，因此賦予了纖維多功能性與變化性，且具有反應(yīng)過程連續(xù)且高度可控、安全可靠、綠色環(huán)保和易放大等優(yōu)勢。

FSC策略通過在紡絲過程中使用微/納米纖維作為化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)器來實(shí)現(xiàn)纖維的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能多樣性，極大地豐富了納米纖維紡絲過程中組成、形態(tài)和結(jié)構(gòu)調(diào)控的內(nèi)涵。根據(jù)微流控紡絲工藝與FSC的結(jié)合，可分為微流控FSC、微流控靜電FSC和微流控氣噴FSC策略。

圖2微流體紡絲FSC策略

圖3微流控靜電紡絲FSC

圖4微流體氣噴紡絲FSC策略

微流控紡絲化學(xué)芯片的設(shè)計

微流控芯片使化學(xué)反應(yīng)在有限的空間和溫和的條件下進(jìn)行，不僅避免了大量有毒溶劑的使用，還減少了廢產(chǎn)物的生成及能源消耗。同時，微流控芯片可用于精確控制超細(xì)纖維中各反應(yīng)物組成及產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)與形態(tài)。優(yōu)勢在于可以靈活組合、可規(guī)模化集成，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的微型化、連續(xù)化、自動化和并聯(lián)規(guī)模化。微流控芯片已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、刑事科學(xué)、食品和商品檢驗(yàn)、軍事科學(xué)和航空航天科學(xué)等重要領(lǐng)域。該文重點(diǎn)介紹了微流控芯片在多通道交匯處的幾何結(jié)構(gòu)，并將微流控芯片分為T型微流控芯片、Y型微流控芯片和共流微流控芯片。

圖5Y型微流控芯片

圖6T型微流控芯片

圖7共軸流微流控芯片

微流控紡絲化學(xué)的應(yīng)用

微流控FSC策略為原位生產(chǎn)性能優(yōu)異的功能化微米/納米級纖維雜化材料提供了有效途徑。

圖8 微流控FSC策略制備鈣鈦礦納米晶和高熒光CdSe量子點(diǎn)

圖9FSC紡絲化學(xué)在全天候智能紡織品方面的應(yīng)用

總而言之，該文從FSC制備機(jī)理和技術(shù)優(yōu)勢兩方面對FSC的發(fā)展進(jìn)行了綜述與展望。其本質(zhì)核心是如何實(shí)現(xiàn)纖維的工程化、高性能化和結(jié)構(gòu)功能一體化，尤其是實(shí)現(xiàn)規(guī)模化連續(xù)可控制備性能優(yōu)越的先進(jìn)納米材料，更是給納米材料產(chǎn)業(yè)帶來了全新視角，同時，提供了一條嶄新的微流控紡絲技術(shù)可實(shí)用化的途徑。可以預(yù)見FSC策略的廣泛應(yīng)用必將推動功能性納米纖維的發(fā)展。

編輯：黃飛