测量聚合物纳米纤维的附着力和摩擦力

伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的研究人员使用一种足够小的设备来固定在大头针上，从而获得了有关纳米级聚合物纤维性能的新知识，这一知识可以指导由以下材料制成的产品的设计和制造：细丝的随机网络，例如旨在阻止异物进入肺部的坚固过滤器。

“在生物和生物工程系统中，互连的细丝网络无处不在，例如结缔组织，蜘蛛网和用于组织生长的支架，以及消费品，例如空气过滤器，”美国农业部博士后学者Debashish Das说。 I.的航空航天工程。“这项研究提供了直接的实验洞察力，以了解在纳米级尺度上粘合和摩擦耦合的方式。类似材料的纳米级纤维彼此牢固地粘合在一起，这使得分离变得困难。而且，即使它们是通过强行分离，它们自发地重新结合在一起，获得对这些现象的实验见解可直接影响柔软纳米纤维的坚固，有弹性和坚韧的网络设计。”

Das解释说，当我们检查微米级和纳米级的纤维和其他表面时，景观会发生变化。“随着我们从肉眼可见的宏观尺度到微米和纳米尺度的逐渐变小，与体积相比，颗粒和纤维的表面积下降得更慢，并且一切都变得更粘。”

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，以找出在重叠的连接点之一处发生的情况，并测量将两根纤维拉开或滑动所需的力。他的一根纳米纤维的直径比人的头发小一百倍。

他说：“要了解可能由数十亿纳米纤维组成的宏观规模网络中发生的情况，首先我们需要了解两条纳米纤维交叉的交界处的机械现象。”

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)。

他说：“在先前的研究中，我们使用MEMS设备拉伸一根胶原纤维。” “在这项研究中，我们耦合了两个正交取向的MEMS设备，将两根纤维推在一起，然后通过滑动将它们分开。同时，我们能够同时测量由于粘附力和摩擦力产生的力。这是第一次完成纳米纤维的测量成为可能。

“通过我们的实验测量，我们计算了两个纳米纤维表面在其接合处形成的接触区域的大小。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性，这表明在纳米级有多强的粘合性能。”

达斯说：“从我们的实验中得出的一个关键发现是，临界滑动力除以接触面积等于聚合物的剪切屈服应力。当我们在特定的应力下拉伸或拉伸聚合物时，它将开始发生塑性变形并且不会恢复到初始配置。塑性变形所引起的应力称为聚合物的屈服应力。”

根据Das的说法，这是第一个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。每次发现滑动不稳定性都发生在特定的剪切应力值(切向力除以接触尺寸)上，该值等于聚合物的剪切强度。我们以前不知道，尽管以前已经报道过金属有这种反应。”

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