简单的打结技巧，是普通聚合物韧性大大提高

诸平

昨天的博文“点石成金术：简单的技巧使商业聚合物转化成世界上最牛的纤维”今天重新进行补充和完善。标题和内容进行了较大幅度的修改，重新上传，供大家参考。

根据物理学家组织网（Phys.org）2013年5月1日报道，意大利材料科学家Nicola M. Pugno可以利用最简单的技巧使商业聚合物转化成世界上最牛（最坚韧）的纤维，基于其滑结的原理而认定的。材料科学家描述一种材料的能力主要表现在两个方面即材料的强度和韧性。强度是衡量材料的支撑力的大小,而韧性是材料断裂之前吸收能量的多少，例如，陶瓷是强而不韧,但橡胶又是韧性良好而强度不佳。

韧性是表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。韧性的材料比较柔软，它的拉伸断裂伸长率、抗冲击强度较大；硬度、拉伸强度和拉伸弹性模量相对较小。在材料科学领域内,韧性是一种材料断裂前吸收能量的能力。例如,凯夫拉尔（Kevlar）断裂前可以吸收大约80 J/g的能量，但它与某些天然材料相比就显得相形见绌，而天然材料的韧性更强，如有一种巨型蜘蛛（giant riverine orb spider）的吐丝，其断裂前可以吸收的能量约为390 J/g。基于仿生学的研究兴趣，人们认为在寻找新材料的过程中尚有很大的发展空间，浓厚的研究兴趣促使科学家在朝着能够满足或者超过天然材料的韧性性能的方向迈进，寻找适宜应用需求的更高水平能量吸收能力的新材料。

意大利特兰托大学（University of Trento）的Nicola M. Pugno教授通过预印本文献网站（arxiv.org/abs/1304.6658），2013年4月24日披露了一种几乎可以使任何一种纤维显著地增加其韧性的简单方法。事实上,Nicola M. Pugno教授说他已经利用这种技术创建了世界上最牛的纤维即韧性最好的纤维材料。这种新想法很简单，仅仅涉及到纤维的一个活结，额外纤维创建一个环圈，因为纤维受到张力作用，它可以通过活结，这个机制是直截了当、甚至是司空见惯的现象。当纤维受到张力作用时,滑结开始收紧，额外的材料会通过此结, 通过摩擦而消散能源。当然,此纤维最终还是断裂了，但前提是只有所有材料都已经通过滑结之后才有可能断裂。很明显,这不会使材料的任何性能变得更强，无论是韧性还是强度，虽然二者是不同的属性,通常本身就不相关。然而,不难看出,能量耗散将会极大的增加了纤维在它断裂之前吸收能量的能力,从而提高其韧性。Nicola M. Pugno为他的新滑结技术命名为“哥伦布之蛋（Egg of Columbus）”，这项技术增加了材料的韧性,而不是提高材料的强度，纤维的成分未变，但是改变其韧性的方法却不止一种。

Nicola M. Pugno教授说他已经以许多材料，使用不同数量的圆圈和滑结证实了他们的想法，而且他发现使用三个滑结的效果最好。这种简单的技巧运用到称之为Endumax的商业聚合物纤维,使其韧性从44 J/g增加到1070 J/g，这是有史以来的韧性最高纪录。研究人员声称，实验已经验证了这种概念，的确使普通的商业化纤维变成了世界上韧性最强的纤维。这种通过打结来提高普通纤维的韧性，甚至可以得到比材料科学家采用纳米管制成的纤维要更好。由碳纳米管制得的纤维其中韧性最强的,充其量也不过970 J/g，与1070 J/g相比较尚有9.3%的差距。Nicola M. Pugno教授说他的工作仅仅是个开始, 使用他的滑结技术应该能够使石墨烯纤维的韧性达到100000 J/g。这意味着要比目前最好的碳纳米管纤维的韧性（970 J/g）强百倍以上。

开发研究新材料特别是具有高强度和高韧性材料的研发是当代材料科学研究的热点，其实研究的目标就是商业高性能纤维卓越的力学性质。当然宏观巴基纸（buckypapers）、碳纳米管束和石墨烯薄片都是近期关注的焦点，并已经制得样品。虽然其宏观强度仍然要比理论强度低1 - 2个数量级,但是可以与当前商业纤维相比美,不过最近的研究进展显著增加了韧性。特别是,研究人员已经生产出极强的纳米纤维，韧性模数值达到570 J/g，甚至870 J/g，而且最近包括石墨烯, 韧性模数值达到970 J/g,远远超过天然蜘蛛丝170 J/g以及巨型蜘蛛的丝韧性（390 J/g）的记录；当然人工合成的凯夫拉尔的韧性(80 J/g)就显得更不值一提了。 

对于Nicola M. Pugno的研究，当然，前进的征途不可能是一帆风顺的，尚有许多等待挑战。理想情况下,需要纤维通过结之力应略低于材料的断裂极限,这依赖于诸多因素,比如结拓扑等。结的选择对材料习性有着重要的影响，因此进一步的研究工作可能会导致许多新奇的设计。Nicola M. Pugno的滑结设计专利目前还处于审批阶段，尚未公开。这个想法有很多潜在的应用，更坚固的材料可以明显地用与不同的领域，其能量吸收很重要, 例如制造防弹衣。这是一种令人吃惊但是的确是优秀而廉价的想法,拥有巨大的潜力。虽然看似非常简单的,但是这可能就是其之所以迄今为止被人们忽视的原因所在。

更多信息请浏览：The “Egg of Columbus” for making the world’s toughest fibres (2013-5-2 21:43:04)