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测量聚合物纳米纤维的附着力和摩擦力

人工智能 2021-06-29 16:52:40

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员使用一个小到可以装在针头上的装置,获得了有关纳米级聚合物纤维特性的新知识——这些知识可以为产品的设计和制造提供信息随机的细丝网络,例如旨在阻止外来颗粒进入我们肺部的强大过滤器。

“互连细丝网络在生物和生物工程系统中无处不在,例如结缔组织、蜘蛛网和组织生长支架,以及消费品,例如空气过滤器,”该系的博士后学者 Debashish Das 说。伊利诺伊大学的航空航天工程。“这项研究为粘附和摩擦在纳米长度尺度上的耦合方式提供了直接的实验见解。类似材料的纳米级纤维彼此牢固地粘附在一起,这使得分离变得困难。而且,即使它们是强行分离,它们自发地粘在一起。获得对这些现象的实验见解可以对设计坚固、有弹性和坚韧的软纳米纤维网络产生直接影响。”

Das 解释说,当我们在微米和纳米尺度上检查纤维和其他表面时,景观会发生变化。“随着我们从肉眼可见的宏观长度尺度到微米和纳米长度尺度越来越小,颗粒和纤维的表面积与体积相比减少得更慢,一切都变得更加粘稠。”

在具有数百万个连接点的纵横交错的纳米纤维网络中,Das 进行了实验,以找出在其中一个重叠连接点处发生的情况,并测量将两根纤维拉开或滑动分开所需的力。他的一根纳米纤维的直径比人的头发还要小一百多倍。

“要了解宏观尺度的网络中发生了什么,它可能由数十亿纳米纤维组成,首先我们需要了解两根纳米纤维交叉处的机械现象,”他说。

使用纳米级纤维进行实验需要专门的微型设备。Das 设计并制造了尺寸小于一毫米的微型机器——微机电系统或 MEMS。

“在之前的一项研究中,我们使用 MEMS 设备拉伸单根胶原纤维,”他说。“在这项研究中,我们将两个正交取向的 MEMS 器件耦合在一起,将两条纤维推到一起,然后通过滑动将它们分开。这样做的同时,我们能够同时测量由于粘附和摩擦引起的力。这是第一次如此完整纳米纤维的测量成为可能。

“根据我们的实验测量,我们计算了两个纳米纤维表面在其连接处形成的接触面积的大小。当我们施加滑动力时,接触开始剥离,直到滑动力突然下降并发生不稳定,这表明纳米级的粘合性能有多强。”

Das 说:“我们实验的一个关键发现是临界滑动力除以接触面积等于聚合物的剪切屈服应力。当我们拉动或拉伸聚合物时,在特定应力下,它会开始塑性变形并且不会回到其初始配置。塑性变形开始时的应力称为聚合物的屈服应力。”

据 Das 称,这是第一项确定聚合物纳米纤维滑动过程中发生了什么的研究。

“我们测试了不同直径的纤维。每次,我们发现滑动不稳定性发生在特定的剪切应力值——切向力除以接触尺寸——等于聚合物的剪切强度。这是一些东西我们以前不知道,尽管之前已经报道过金属的这种反应。”

这项名为“粘性纳米级聚合物触点的滑动”的研究由 Debashish Das 和 Ioannis Chasiotis 撰写。它发表在《力学与物理学杂志》上。

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