冷拉（cold-drawing）是熱塑性纖維制備過程中的一個常見工藝。不過，如果在聚合物纖維中間放一根脆性的芯，再進行拉伸，結果又會是怎樣的呢？中佛羅里達大學Ayman F. Abouraddy教授課題組為我們展現(xiàn)出了一個出乎意料的結果：不同材質的芯會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：如果將用力拉一個透明塑料袋，你會發(fā)現(xiàn)，拉伸過程中袋子中部會變細，同時也會變得不透明，這兩個現(xiàn)象就是熱塑性塑料拉伸過程中的“細頸化（necking）”與“應力發(fā)白”現(xiàn)象。同樣，“細頸化”過程也會發(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芯放進聚合物的皮層中，制備成了復合材料纖維，然后就這么簡單一拉，發(fā)現(xiàn)了一個十分奇妙的現(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“細頸化”過程與長度無關。
圖片來源：Nature Publishing Group
那么，這一過程究竟是如何發(fā)生的呢？研究者通過模擬計算了拉伸過程中纖維上的應力分布于變化過程。隨著拉伸的進行，細頸的出現(xiàn)伴隨著芯材的斷裂，這是由于應力集中于細頸處。隨著拉伸的進行，細頸不斷的擴展，脆性材料也在肩頸處以一定的長徑比發(fā)生斷裂。同時，斷裂的短棒之間形成空隙，使得短棒之間彼此分離。
a）細頸化過程中的可控均勻斷裂，b）無細頸化過程的隨機斷裂。
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纖維拉伸過程中的應力分布。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纖維之中同時拉伸（4000根芯，直徑500 nm），通過拉伸造成芯材的可控斷裂，再將聚合物溶解，即可大規(guī)模的制備均勻的納米棒，該法具有較強的工業(yè)化應用的前景。此外，如果對拉伸后的聚合物進行熱處理，釋放拉伸過程中的應力，則會發(fā)現(xiàn)納米棒又重新恢復成之前的狀態(tài)。
圖片來源：Nature Publishing Group
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這個有意思的現(xiàn)象可能在制備三維納米結構陣列、開發(fā)動力學和熱可逆?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用潛力。
http://www.nature.com/nature/journal/v534/n7608/full/nature17980.html