伊利諾伊大學(xué)厄本那-香檳分校的研究人員使用一種足夠小的設(shè)備來(lái)固定在大頭針上，從而獲得了有關(guān)納米級(jí)聚合物纖維性能的新知識(shí)，這一知識(shí)可以指導(dǎo)由以下材料制成的產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造：細(xì)絲的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)，例如旨在阻止異物進(jìn)入肺部的堅(jiān)固過(guò)濾器。

“在生物和生物工程系統(tǒng)中，互連的細(xì)絲網(wǎng)絡(luò)無(wú)處不在，例如結(jié)締組織，蜘蛛網(wǎng)和用于組織生長(zhǎng)的支架，以及消費(fèi)品，例如空氣過(guò)濾器，”美國(guó)農(nóng)業(yè)部博士后學(xué)者Debashish Das說(shuō)。 I.的航空航天工程。“這項(xiàng)研究提供了直接的實(shí)驗(yàn)洞察力，以了解在納米級(jí)尺度上粘合和摩擦耦合的方式。類似材料的納米級(jí)纖維彼此牢固地粘合在一起，這使得分離變得困難。而且，即使它們是通過(guò)強(qiáng)行分離，它們自發(fā)地重新結(jié)合在一起，獲得對(duì)這些現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)見解可直接影響柔軟納米纖維的堅(jiān)固，有彈性和堅(jiān)韌的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。”

Das解釋說(shuō)，當(dāng)我們檢查微米級(jí)和納米級(jí)的纖維和其他表面時(shí)，景觀會(huì)發(fā)生變化。“隨著我們從肉眼可見的宏觀尺度到微米和納米尺度的逐漸變小，與體積相比，顆粒和纖維的表面積下降得更慢，并且一切都變得更粘。”

在具有數(shù)百萬(wàn)個(gè)連接點(diǎn)的縱橫交錯(cuò)的納米纖維網(wǎng)絡(luò)中，Das進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以找出在重疊的連接點(diǎn)之一處發(fā)生的情況，并測(cè)量將兩根纖維拉開或滑動(dòng)所需的力。他的一根納米纖維的直徑比人的頭發(fā)小一百倍。

他說(shuō)：“要了解可能由數(shù)十億納米纖維組成的宏觀規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生的情況，首先我們需要了解兩條納米纖維交叉的交界處的機(jī)械現(xiàn)象。”

用納米級(jí)纖維進(jìn)行實(shí)驗(yàn)需要專門的微型設(shè)備。Das設(shè)計(jì)并制造了尺寸小于一毫米的微型機(jī)器(微機(jī)電系統(tǒng)或MEMS)。

他說(shuō)：“在先前的研究中，我們使用MEMS設(shè)備拉伸一根膠原纖維。” “在這項(xiàng)研究中，我們耦合了兩個(gè)正交取向的MEMS設(shè)備，將兩根纖維推在一起，然后通過(guò)滑動(dòng)將它們分開。同時(shí)，我們能夠同時(shí)測(cè)量由于粘附力和摩擦力產(chǎn)生的力。這是第一次完成納米纖維的測(cè)量成為可能。

“通過(guò)我們的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，我們計(jì)算了兩個(gè)納米纖維表面在其接合處形成的接觸區(qū)域的大小。當(dāng)我們施加滑動(dòng)力時(shí)，接觸開始剝離，直到滑動(dòng)力突然下降并發(fā)生不穩(wěn)定性，這表明在納米級(jí)有多強(qiáng)的粘合性能。”

達(dá)斯說(shuō)：“從我們的實(shí)驗(yàn)中得出的一個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，臨界滑動(dòng)力除以接觸面積等于聚合物的剪切屈服應(yīng)力。當(dāng)我們?cè)谔囟ǖ膽?yīng)力下拉伸或拉伸聚合物時(shí)，它將開始發(fā)生塑性變形并且不會(huì)恢復(fù)到初始配置。塑性變形所引起的應(yīng)力稱為聚合物的屈服應(yīng)力。”

根據(jù)Das的說(shuō)法，這是第一個(gè)確定聚合物納米纖維滑動(dòng)過(guò)程中發(fā)生了什么的研究。

“我們測(cè)試了不同直徑的纖維。每次發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)不穩(wěn)定性都發(fā)生在特定的剪切應(yīng)力值(切向力除以接觸尺寸)上，該值等于聚合物的剪切強(qiáng)度。我們以前不知道，盡管以前已經(jīng)報(bào)道過(guò)金屬有這種反應(yīng)。”

Debashish Das和Ioannis Chasiotis撰寫了“粘性納米級(jí)聚合物觸點(diǎn)的滑動(dòng)”研究。它發(fā)表在《力學(xué)與物理學(xué)雜志》上。