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弹性粘性都成就纤维的妖娆运动 精选

已有 7506 次阅读 2012-6-11 21:39 |系统分类:科研笔记|关键词:学者| 静电, 聚合物, 优博

博主按:前几天写了一篇科研笔记,赵斌兄留言说:“终于谈一点正儿八经的事儿了,难得呀,感动得我是热泪盈眶呀。”颇有对我恨铁不成钢,终于见到浪子回头的感觉。搞得我很汗颜。那么,继续浪子回头之路,无关风月,谈点科学。
 
弹性粘性都成就纤维的妖娆运动
曾泳春
 
      静电纺丝近十几年来在国际上的研究热度,一浪高过一浪。只要一个月不搜索文献,再搜索“electrospinning”,就会发现马上陷入了静电纺丝研究的海洋(By the way, 好像晓明的上铺下铺兄弟,都凭静电纺丝获得了全国优博)。这个非常轻巧的设计,最简单的只需要一个针头、一个金属收集板以及一个高压静电发生器组成的装置,即可以将聚合物溶液挤出的射流拉伸至纳米级的纤维,刮起了全球的纳米纤维风潮。无可否认,静电纺丝是目前最简单的能一步就获得纳米纤维的方法,具有非凡的魅力。
      静电纺丝最早吸引人们研究的是聚合物的可纺性,研究者惊喜地找到了一种又一种可用于静电纺丝的聚合物材料,甚至天然纤维如蚕丝也可用于静电纺丝;接着,静电纺丝纤维在能源、环境、生物医药、光电元件等领域的应用成为研究热点;新的应用领域不断被挖掘出来之后,研究者开始对纤维成分多样化及结构的精细调控,以及静电纺丝的规模化(工业化)生产进行探索。目前,各种静电纺丝装置如雨后春笋般被设计出来,有的据说已经开始投向市场。
      而关于静电纺丝力学机理研究的热度,比以上所列的研究方向要稍冷一些。两个研究团队:麻省理工的Rutledge研究团队,以及阿克隆大学的Renerker and Yarin研究团队,在静电纺丝纤维成型的机理方面做了很多工作。特别是他们对静电纺丝弯曲不稳定(bending instability)的研究,揭示了纤维在有限的空间内被拉伸至纳米纤维的力学机理。Rutledge研究组把这种弯曲不稳定称为鞭动(whipping),而Reneker研究组并没有接受whipping这个术语。大约3年前,Reneker到东华参加了一次会议,大牛出山,我们这些粉丝争睹风采。我在他当时并不是很精彩的报告之后提到了whipping,老Reneker很不高兴,他说whipping是如同牧童抖动鞭子所产生的那种运动,是在平面上的二维波动,而bending instability是一种三维螺旋式运动。而在研究者们看来,whipping也不过是一种能比较形象地反映这种弯曲不稳定运动的术语,无论Reneker接不接受,这个术语已经被广泛采用,并被用到了另一种制备纳米纤维的技术——熔喷(melt blowing)的研究中。Reneker研究团队对静电纺丝研究最大的贡献,在于建立了静电纺丝纤维运动的动力学模型,对纤维鞭动及相关过程进行数值模拟。在实验研究方面,他们利用高速摄像技术向人们展示了静电纺丝纤维的真实运动——不是以前研究者认为的纤维的剥裂,而是一根纤维螺旋形展开的弯曲不稳定运动。
      大约在6年前,我看到了Reneker在2001年发表的静电纺丝纤维动力学模型及实验研究。我惊异地发现,他们所用的模型,与我用于计算纤维在高速气流场中运动的纤维模型如此相似,不同之处仅在于我们用珠-弹性杆来描述天然纤维,而他们用珠—粘弹性杆来描述聚合物纤维。这是由天然纤维与聚合物纤维的特性决定的。于是我确定,我的模型具有一定的普适性,除了可以用于气流场,还可以用于静电纺丝的电场中。这就是我在上一篇《轻舞飞扬——纤维与高速气流的亲密接触》中说到的,我将我的纤维模型提炼出一个思想:将纤维离散成若干部分,在每个部分之间施加不同的联系,可以构成不同的过程。基于这个思想,我可以模拟天然纤维在高速气流场中成纱的过程,也可以模拟聚合物纤维在电场下拉伸成丝的过程,同理,还可以模拟聚合物纤维在高温高速气流场中的成丝过程。于是,我们建立了纤维在外加物理场如流场、电场下运动的统一的动力学模型,模拟出静电纺丝(利用电场力)和熔喷(利用气流力)的纤维成丝过程。这是我花了3年科研空白时间所做的科研转向,并惊喜地发现我们进入了另一个更加宽广的领域。
      这篇博文只阐述了我的一些科研思想,而在正式的paper里,充满了曾经想破脑袋才写出来的方程。而幸福的是,现在有学生帮我解方程了。
 
非常惊人的科学发现。人类的未来,将由no fiber拯救,皇帝的新装将不再是童话。那么如何生产出no fiber呢?以下就是本世纪最amazing的发明。
 
齐秦,《爱情宣言》
 
这是我的爱情宣言
我要告诉全世界
这是我的爱情宣言
我要告诉全世界
我相信婴儿的眼睛
我不信说谎的心
我相信咸咸的泪水
我不信甜甜的柔情
我相信轻拂的风
我不信流浪的云
我相信患难的真情
我不信生生世世的约定
是不是变成石堆
我的心就不会再痛
是不是别开头去
你就感觉不到我的深情
这是我的爱情宣言
我要告诉全世界
这是我的爱情宣言
我要告诉全世界
 


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