近年來，二維納米網絡結構材料在環境防護、電子器件、生物工程等領域具有廣闊的應用前景。起初，研究者到受自然界生物材料結構（蜻蜓翅膀、蜘蛛網、蜂巢等）1-2的啟發，從一維納米材料中組裝具有高連續性和多孔結構的二維納米纖維網絡結構材料，但是，當一維納米纖維材料（直徑<100nm，如納米管、納米線、納米棒等）作為構築單元組裝成二維納米纖維網絡結構時，該構築單元普遍存在連續性差的問題，導致其聚集體材料面臨結構難以精確調控、固有納米特性難以保持等局限性，嚴重限制了材料應用性能的大幅提升。
蜘蛛網結構
基於此，東華大學俞建勇院士和丁彬教授團隊在2019年3月在《Nature》期刊上發表文章，報導了將高分子量、低濃度聚合物溶液直接噴射形成二維納米網絡結構材料的新技術，並將其命名為「靜電噴網」。3
通過優化溶液本體特性，控制泰勒錐尖端荷電流體噴射模式，獲得了高壓電場中均勻懸浮分布的荷電液滴簇，進而通過調控收集器耦合誘導微電場的分布狀態，實現了荷電液滴的形變\相變\自組裝的精確調控，獲得了纖維直徑10-40 nm的二維納米網絡結構材料（納米蛛網），並成功實現了蛛網製備原料種類的有效拓展，目前已成功製備了PVDF、PAN、Carbon、TiO2等多種有機/無機納米蛛網材料。
二維納米蛛網材料的設計與開發
二維納米網絡結構不僅賦予了材料孔徑小（200-300nm）、比表面積大（30-70m2g-1）、孔隙率高（99.25%）等納米特性，同時顯著增強了材料的選擇潤溼性、機械性能以及透光性能，所得納米蛛網材料在空氣過濾、液體分離、生物防護等領域均體現出優異的應用潛力。其中，超薄PVDF納米蛛網高透光材料（透光性>95%）可有效過濾空氣中超細顆粒物PM0.3，過濾效率達99.86%，空氣阻力僅~30Pa。PAN納米蛛網材料因具有超親水且快速滲透特性，與常規液體過濾材料相比，在具有相同過濾效率（99.92%）時，滲透通量提高了一個數量級（3550±275Lm-2h-1）。此外，經碳化或煅燒處理後獲得的碳基與TiO2基納米蛛網材料，也分別展現出優異的導電性能與生物防護特性。
該工作不僅提出了一種新型的電流體動力加工技術，製備出了高性能、多功能的二維納米網絡結構材料，也為下一代先端納米纖維材料的設計與開發提供了指導與借鑑。
在此基礎上，通過改進技術，該團隊利用新型溼度誘導「靜電紡/噴」技術，以高偶極矩聚合物聚丙烯腈為原料，製備出了直徑細、孔徑小、孔隙率高且具有蓬鬆雙網結構的納米蛛網/纖維高效低阻空氣過濾材料。4
通過藉助離子-偶極相互作用提升溶液荷電能力，促進了泰勒錐尖端荷電流體的可控噴射，進而通過調控環境溼度氛圍，誘導控制聚合物溶液體系的相分離速度與程度，實現了射流、液滴的同步形變/相變/自組裝，獲得了具有蓬鬆雙網結構的納米蛛網/纖維空氣過濾材料。該材料中二維超細（~20 nm）納米蛛網與蓬鬆納米纖維支架網絡緊密溶接，從而形成了穩定的雙網絡結構，並賦予了材料孔徑小（<300 nm）、孔隙率高（93.9%）、堆積密度低（0.18g cm-3 ）、表面化學極性強（偶極矩 4.3 D）等特點。
蓬鬆雙網結構納米蛛網/纖維製備過程、微觀結構及空氣過濾應用示意圖
材料中二維納米蛛網結構具有直徑細、孔徑小的特性，不僅提升了材料對超細顆粒物的吸附、篩分作用，還顯著增強了其空氣滑移效應；同時，準三維納米纖維支架網絡體現出了堆積蓬鬆、孔隙率高的優勢，從而有效促進了氣流在纖維間的滲透擴散，大幅降低了材料的空氣阻力。結合上述兩種結構優勢，該雙網結構納米蛛網/纖維材料可實現對空氣中超細顆粒物的高效低阻過濾，其對最易穿透粒徑顆粒物 PM0.3 的過濾效率高達 99.99%，阻力壓降僅為大氣壓的 0.11%；同時，可快速淨化室內空氣 PM2.5 ，且具有長效循環使用性能。
為了使二維納米網絡結構材料在超薄高透光的前提，實現高效的過濾效率，該團隊創新性地採用芳綸/聚氨酯雙組分聚合物溶液，通過類電容靜電噴網技術製備出了一種新型「剛柔並濟」的高效、超薄、高透光二維納米網絡結構纖維材料。5
通過調控接收基材介電性能以控制微電場的分布狀態，實現了荷電液滴噴射-形變-自組裝的精確調控，大幅提高了單層纖維材料中納米網絡結構的覆蓋率（提升10倍），從而顯著增強了網絡纖維材料對超細顆粒物的捕集能力。同時，兼具剛性與粘彈性的雙組分芳綸/聚氨酯體系與二維網絡結構有機結合，賦予了網絡纖維材料「剛柔並濟」的特性，其材料表現出優異的結構穩定性和力學性能（41.3 MPa），從而使材料在保持超薄（~350 nm）、高透光（~85.6%）的前提下依然可實現對鹽性、油性超細顆粒物的高效低阻過濾（氯化鈉PM0.3：99.984%，癸二酸二異辛酯PM0.3：99.947%；壓阻僅為0.07%個大氣壓）。
此外，該納米網絡纖維材料可有效捕集並殺滅（紫外照射下滅菌效率為90.5%）空氣中的致病菌，具有優異的生物防護功能。
自組裝二維納米網絡結構纖維材料的構築與結構調控
這些研究成果賦予我們一些啟示：該團隊提出的構築二維納米網絡結構納米纖維材料的策略，不僅為製備高性能納米蛛網/纖維空氣過濾材料提供了新思路，也為用於液體分離、生物防護等領域的納米蛛網材料設計與開發提供了指導與借鑑。
參考文獻
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2 Cranford, S. W., Tarakanova, A., Pugno, N. M. & Buehler, M. J. Nonlinear
material behaviour of spider silk yields robust webs. Nature 482, 72–76 (2012).
3 Shichao Z., Hui L., Ning T., Jianlong G., Jianyong Y., and Bin D.,Direct electronetting of high-performance membranes based on self-assembled 2D nanoarchitectured networks. Nature Communication 1458 (2019).
4 Hui L., Shichao Z., Lifang L., Jianyong Y., and Bin D., A Fluffy DualNetwork Structured Nanofiber/Net Filter Enables HighEfficiency Air Filtration. Advanced Functional Materials. DOI:10.1002/adfm.201904108.(2019)
5 Shichao Z.， Hui L., Ning T., Nadir A., Jianyong Y., and Bin D.,Highly Efficient, Transparent, and Multifunctional Air Filters Using Self-Assembled 2D Nanoarchitectured Fibrous Networks. ACS Nano. DOI:10.1021/acsnano.9b07293. (2019)