冷拉（cold-drawing）是熱塑性纖維制備過程中的一個(gè)常見工藝。不過，如果在聚合物纖維中間放一根脆性的芯，再進(jìn)行拉伸，結(jié)果又會(huì)是怎樣的呢？中佛羅里達(dá)大學(xué)Ayman F. Abouraddy教授課題組為我們展現(xiàn)出了一個(gè)出乎意料的結(jié)果：不同材質(zhì)的芯會(huì)拉斷形成長徑比固定的均勻短棒。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在近期的《Nature》雜志上。（Controlled fragmentation of multimaterial fibres and films via polymer cold-drawing. Nature, 2016, 534, 529-533, DOI: 10.1038/nature17980）
圖片來源：Nature Publishing Group
我們在生活中通常有這樣的經(jīng)驗(yàn)：如果將用力拉一個(gè)透明塑料袋，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，拉伸過程中袋子中部會(huì)變細(xì)，同時(shí)也會(huì)變得不透明，這兩個(gè)現(xiàn)象就是熱塑性塑料拉伸過程中的“細(xì)頸化（necking）”與“應(yīng)力發(fā)白”現(xiàn)象。同樣，“細(xì)頸化”過程也會(huì)發(fā)生在熱塑性纖維的拉伸過程中。在纖維制備工藝中，初生纖維可以通過冷拉過程提高聚合物鏈的取向度及結(jié)晶度。上述工藝早已被廣泛的用于工業(yè)生產(chǎn)中，而這一力學(xué)過程也被研究的較為透徹。不過，Abouraddy教授課題組可謂是另辟蹊徑，他們把脆性材料的細(xì)芯放進(jìn)聚合物的皮層中，制備成了復(fù)合材料纖維，然后就這么簡單一拉，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)十分奇妙的現(xiàn)象：聚合物纖維中的脆芯斷裂成了尺寸一致的短棒。這一現(xiàn)象具有很強(qiáng)的普適性，他們在多種材料中都重現(xiàn)了這一奇妙的現(xiàn)象，聚合物包括聚醚砜、聚碳酸酯、聚醚酰亞胺、聚砜等等熱塑性聚合物，而脆芯包括硒化砷玻璃、硅、鍺、金、聚苯乙烯等等。
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我們先來看看他們有什么有趣的發(fā)現(xiàn)吧。首先，對(duì)于同一種芯材來說，無論芯材的直徑有多少，最后得到的短棒均具有一致的長徑比；其次，對(duì)于不同的芯材來說，短棒的長徑比則與材料的楊氏模量的平方根成正比；最后，短棒的長徑比與聚合物“細(xì)頸化”過程與長度無關(guān)。
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那么，這一過程究竟是如何發(fā)生的呢？研究者通過模擬計(jì)算了拉伸過程中纖維上的應(yīng)力分布于變化過程。隨著拉伸的進(jìn)行，細(xì)頸的出現(xiàn)伴隨著芯材的斷裂，這是由于應(yīng)力集中于細(xì)頸處。隨著拉伸的進(jìn)行，細(xì)頸不斷的擴(kuò)展，脆性材料也在肩頸處以一定的長徑比發(fā)生斷裂。同時(shí)，斷裂的短棒之間形成空隙，使得短棒之間彼此分離。
a）細(xì)頸化過程中的可控均勻斷裂，b）無細(xì)頸化過程的隨機(jī)斷裂。
圖片來源：Nature Publishing Group
纖維拉伸過程中的應(yīng)力分布。圖片來源：Nature Publishing Group
除了纖維狀的芯材，帶狀的芯材也可以在拉伸過程中形成均勻的線狀材料。研究者還將多股芯材放進(jìn)纖維之中同時(shí)拉伸（4000根芯，直徑500 nm），通過拉伸造成芯材的可控?cái)嗔?，再將聚合物溶解，即可大?guī)模的制備均勻的納米棒，該法具有較強(qiáng)的工業(yè)化應(yīng)用的前景。此外，如果對(duì)拉伸后的聚合物進(jìn)行熱處理，釋放拉伸過程中的應(yīng)力，則會(huì)發(fā)現(xiàn)納米棒又重新恢復(fù)成之前的狀態(tài)。
圖片來源：Nature Publishing Group
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這個(gè)有意思的現(xiàn)象可能在制備三維納米結(jié)構(gòu)陣列、開發(fā)動(dòng)力學(xué)和熱可逆?zhèn)窝b、制造用于高靈敏度生物檢測的大面積超表面等方向有應(yīng)用潛力。
http://www.nature.com/nature/journal/v534/n7608/full/nature17980.html