“看着不鏽鋼網上溶液射流密集的噴射而出，高效地進行紡絲，瞬間覺得一切的努力都沒有白費。”對于那個北京隆冬深夜的科研“勝利”場景，清華大學材料學院副教授伍晖表示。
（來源：Science Advances）
近日，其團隊聯合該校航天航空學院副教授趙立豪課題組，聯合開發出一種結合卡門渦街原理的無針頭溶液氣紡絲新技術，給規模化生産納米纖維提供了新思路。
圖 | 伍晖（來源：清華大學）
納米纖維因其獨特的實體化學性質，在環境過濾、能量存儲、柔性電子、組織工程、智能織物、個人病毒防護等不同領域。要想促進納米纖維材料在終端産品中的進一步應用，必須開發出更先進的制造科學和相關技術，隻有這樣才能實作高效率、低成本、連續穩定的納米纖維規模化生産。
目前的一些納米纖維制造方法，例如模闆合成法、水熱法和分子自組裝法，由于裝置複雜且生産率低，仍處于實驗室規模的開發階段。熔噴是工業上廣泛使用的一種制備超細纖維的方法，但是這種方法很難制備直徑小于 1μm 的纖維，并且隻适用于熱塑性聚合物。溶液紡絲法，包括靜電紡絲、離心紡絲、機械拉伸和溶液氣紡絲等，是以可以制備各種類型的超細纖維而受到廣泛關注。
在典型的溶液紡絲過程中，聚合物溶液從針尖噴出，并通過靜電力、離心力或氣體剪切力進行拉伸，随後蒸發溶劑以獲得纖維。靜電紡絲是一種廣泛采用的用于制造納米纖維的溶液紡絲技術。
然而，它的主要技術缺點，包括複雜的電場設計、溶劑蒸發和纖維收集困難、高壓安全問題、針頭阻塞、液滴形成，以及産量低的問題，阻礙了它在工業環境中的廣泛應用。
離心紡絲可以實作較高的纖維生産率，但與靜電紡絲相比，它的平均纖維直徑仍然較高。是以，盡管現有納米纖維制造技術發展迅速，但在不影響其品質的情況下以工業規模生産仍然具有挑戰性。
用靜電場作為替代方案
作為靜電場的替代方案，高速氣流作為從溶液中紡出超細纖維的驅動力，正引起越來越多的關注。在典型的溶液氣紡絲工藝中，在氣液界面由氣流誘導産生的剪切力用于細化從針尖擠出的溶液，形成沿流向方向的液體射流。
随後，氣流有效地幫助溶劑蒸發，進而獲得高品質的纖維。據悉，迄今為止，隻有基于針頭的溶液氣紡絲技術被報道過，而無針頭的溶液氣紡絲技術尚未實作。
雖然通過針頭輸送溶液已經取得了很大的成功，但諸如高流動阻力、液滴形成和噴射，以及由于溶液快速揮發或固化而可能導緻的針頭堵塞等問題極大地限制了紡絲系統的穩定性、纖維品質, 和生産效率。
此外，如能進一步加強液體射流的氣體剪切應力，增強溶液紡絲過程中的牽伸作用和溶劑揮發，溶液氣紡絲将更具有應用價值。是以，非常需要開發一種新的氣紡絲系統，使得氣流以更有效的方式與紡絲溶液互相作用，進而制備出高産量的納米纖維。
1911 年，著名空氣動力學家西奧多·馮·卡門（Theodore von Kármán）發現了卡門渦街現象，即一種流體流過圓柱體産生的不尋常的交替渦流，這種現象可以在流體運動的各種尺度上找到。如果可以探索氣态的卡門渦流，以控制液體射流并進一步促進纖維形成，這将具有極大的科學意義和重要性。
建構基于卡門渦街的無針頭溶液氣紡絲系統
基于此，伍晖團隊設計并建構了基于卡門渦街的無針頭溶液氣紡絲系統，以實作納米纖維的高通量生産。該方法采用全新設計的卷對卷系統來實作無針溶液傳輸，借此制造出納米纖維。連續運動的閉環尼龍線，可将紡絲溶液從儲液槽中攜帶出，随後在高速氣流的驅動下，可以形成泰勒錐并高速噴射，進而通過快速拉伸和擺動形成納米纖維。
該技術精确設計了空氣射流與卡門渦街相結合的氣流結構。通過流體理論和計算流體動力學模拟的研究，他們發現穿過尼龍線的高速氣流，會在尼龍線的背風側産生強烈的剪切應力和卡門渦流，強剪切應力會促進泰勒錐的形成和溶液射流的細化，而卡門渦旋則擾亂流場、并加速氣流從層流到湍流的轉捩，最終促進了溶液射流的揮發。兩者的共同作用，極大促進了納米纖維的高通量生産。
3 月 16 日，相關論文以《通過卡門渦旋溶液吹紡高通量生産千克級納米纖維》（High-throughput production of kilogram-scale nanofibers by Kármán vortex solution blow spinning）發表在 Science Advances 上[1]。
圖 | 相關論文（來源：Science Advances）
對于此次成果，其中一位審稿人評價稱：“伍及其同僚提出一種改進的溶液氣紡絲制造大量高品質納米纖維的原創性方法。該方法有幾個優點——除了去除現有的噴嘴和針頭外，由于線的背風面形成的大的速度梯度，它使得纖維的進一步牽伸細化成為可能。由卡門渦流引起的氣流動力學也促進了溶液的快速蒸發。”
另一位審稿人表示：“使用運動的線和卡門渦流是一個非常有趣和創新的想法。總的來說，我很欣賞卡門渦流噴射的新穎性和精美的使用，以比傳統噴嘴更高的速度制造納米纖維。這項工作得到了實驗資料的充分支援，并以清晰的方式呈現。”
還有一位審稿人評價稱：“納米纖維的大規模制備确實是一個值得關注的挑戰。作者在文章中提出的無針頭溶液氣紡絲政策（KV-SBS）使用線或者不鏽鋼網代替針頭，引人注目。KV-SBS 對納米纖維的産業化産生了積極的影響，這無疑是一項有價值的工作。作者提出了一種具有高生産率和普遍适用性的溶液氣紡絲政策，并對該紡絲政策進行了充分的理論分析。”
實作紡絲系統的無針頭化
伍晖表示，他在做基于針頭的溶液紡絲時，常常會遇到溶液堵塞針頭的問題，影響纖維樣品的品質，是以一直在思考如何實作紡絲系統的無針頭化。同時，考慮到溶液氣紡絲中氣流是溶液被牽伸的驅動力，也能夠起到輔助射流揮發的作用，也一直希望能夠巧妙設計氣液的作用形式，來加強氣流的剪切和輔助揮發作用。
他注意到，在卡門渦街現象中，流體會出現非常明顯的渦旋湍流。如果将射流置于這個湍流中，這對于紡絲過程中溶劑的揮發和纖維形成可能會很有幫助。
有了想法後，伍晖立馬叫上學生一起驗證，DIY 了一個簡易的手動小裝置，将一根線從裝有溶液的燒杯中帶出點溶液，并用高速氣流進行吹掃，發現确實得到了纖維。盡管當時獲得的纖維品質還不是特别好，但這還是讓其非常興奮，至少方向是對的。
但接下來的過程并非一帆風順。在探索如何讓紡絲系統穩定制備高品質納米纖維的過程中，遇到了很多技術性的問題，比如如何設計系統構型和搭建裝置、如何更好地調控溶液的輸運等等。
期間，該團隊與合作者從理論上探索了纖維成型的機理，并利用高速相機對紡絲過程進行了大量的實驗觀察，借助理論和實踐的關聯，一步步探索裝置改進和實驗參數優化。最終，實作了紡絲系統的穩定運作。
讓伍晖尤為難忘的是，在利用高速相機對實驗過程進行拍攝時，為了拍攝出較好的效果，常常會帶着防護眼鏡進行很長時間的拍攝。而使用不鏽鋼網作為溶液載體進行紡絲時，對于拍攝的光線強弱、強弱等更是提出了更高的要求。當時他們連續拍攝了很久，終于在一個很晚的冬夜裡，拍攝出了比較滿意的視訊。
在環境過濾群組織工程等具有廣闊應用
納米纖維在環境過濾、能量存儲、柔性電子、組織工程等諸多領域具有十分廣闊的應用前景。為了促進納米纖維材料真正走向商業化應用，開發更加高效的納米纖維制造技術很有必要。
該課題組長期以來緻力于納米纖維的基礎科學問題的探索、規模化制造技術的研發和納米纖維實際應用的研究。作為一個方法學的論文，伍晖希望這一成果能夠推動納米纖維在諸多領域的應用推廣。
此外，該課題組已探索過納米纖維在多個領域的應用。未來，他們将在已有工作的基礎上，繼續開發無針頭溶液氣紡絲系統，以推動高分子、碳、陶瓷等多種納米纖維材料的制備，推動納米纖維在過濾與吸附、高溫隔熱和柔性電子等多個領域的應用。
在後續計劃上，一方面該團隊将進一步放大該研究搭建的無針頭紡絲的平台，探索進一步擴大納米纖維的制造規模；另一方面，也将緻力于從理論與實踐上進一步探索設計與優化無針頭紡絲系統，以進一步提高纖維的生産效率。
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參考：
1、Li, Z., Cui, Z., Zhao, L., Hussain, N., Zhao, Y., Yang, C., ... & Wu, H. (2022). High-throughput production of kilogram-scale nanofibers by Kármán vortex solution blow spinning. Science Advances, 8(11), eabn3690.