測量聚合物納米纖維的附著力和摩擦力

伊利諾伊大學厄本那-香檳分校的研究人員使用一種足夠小的設備來固定在大頭針上，從而獲得了有關納米級聚合物纖維性能的新知識，這一知識可以指導由以下材料制成的產品的設計和制造：細絲的隨機網絡，例如旨在阻止異物進入肺部的堅固過濾器。

“在生物和生物工程系統中，互連的細絲網絡無處不在，例如結締組織，蜘蛛網和用于組織生長的支架，以及消費品，例如空氣過濾器，”美國農業部博士后學者Debashish Das說。 I.的航空航天工程。“這項研究提供了直接的實驗洞察力，以了解在納米級尺度上粘合和摩擦耦合的方式。類似材料的納米級纖維彼此牢固地粘合在一起，這使得分離變得困難。而且，即使它們是通過強行分離，它們自發地重新結合在一起，獲得對這些現象的實驗見解可直接影響柔軟納米纖維的堅固，有彈性和堅韌的網絡設計。”

Das解釋說，當我們檢查微米級和納米級的纖維和其他表面時，景觀會發生變化。“隨著我們從肉眼可見的宏觀尺度到微米和納米尺度的逐漸變小，與體積相比，顆粒和纖維的表面積下降得更慢，并且一切都變得更粘。”

在具有數百萬個連接點的縱橫交錯的納米纖維網絡中，Das進行了實驗，以找出在重疊的連接點之一處發生的情況，并測量將兩根纖維拉開或滑動所需的力。他的一根納米纖維的直徑比人的頭發小一百倍。

他說：“要了解可能由數十億納米纖維組成的宏觀規模網絡中發生的情況，首先我們需要了解兩條納米纖維交叉的交界處的機械現象。”

用納米級纖維進行實驗需要專門的微型設備。Das設計并制造了尺寸小于一毫米的微型機器(微機電系統或MEMS)。

他說：“在先前的研究中，我們使用MEMS設備拉伸一根膠原纖維。” “在這項研究中，我們耦合了兩個正交取向的MEMS設備，將兩根纖維推在一起，然后通過滑動將它們分開。同時，我們能夠同時測量由于粘附力和摩擦力產生的力。這是第一次完成納米纖維的測量成為可能。

“通過我們的實驗測量，我們計算了兩個納米纖維表面在其接合處形成的接觸區域的大小。當我們施加滑動力時，接觸開始剝離，直到滑動力突然下降并發生不穩定性，這表明在納米級有多強的粘合性能。”

達斯說：“從我們的實驗中得出的一個關鍵發現是，臨界滑動力除以接觸面積等于聚合物的剪切屈服應力。當我們在特定的應力下拉伸或拉伸聚合物時，它將開始發生塑性變形并且不會恢復到初始配置。塑性變形所引起的應力稱為聚合物的屈服應力。”

根據Das的說法，這是第一個確定聚合物納米纖維滑動過程中發生了什么的研究。

“我們測試了不同直徑的纖維。每次發現滑動不穩定性都發生在特定的剪切應力值(切向力除以接觸尺寸)上，該值等于聚合物的剪切強度。我們以前不知道，盡管以前已經報道過金屬有這種反應。”

Debashish Das和Ioannis Chasiotis撰寫了“粘性納米級聚合物觸點的滑動”研究。它發表在《力學與物理學雜志》上。