Advanced Materials :桑蚕丝的启发:平行纤维克服流体瑞利不稳定

瑞利不稳定(Plateau-Rayleigh Instability)是生活中非常常见的现象,其中最具代表性的例子是水龙头流下的水柱会自发断裂形成水珠。这一现象导致在用溶液法(包括溶液涂覆、静电纺丝和微流控等)制备纤维表面涂层时,常常伴随液膜的不均匀及断裂,从而很难获得均匀涂层。目前,最常用和有效的克服瑞利不稳定的方法是利用紫外、高温或化学反应引发的液膜即刻固化,但这些方法会带来复杂的操作以及在涂层材料选择范围上的局限性。因此,开发一种简单的克服纤维上液膜瑞利不稳定现象的方法非常重要。

作为人类最早使用的动物纤维之一,桑蚕丝凭借其光滑的表面、良好的力学性能以及生物相容性引起了科学家的广泛关注。桑蚕丝由内部的丝素纤维和外部的丝胶涂层组成,在被吐出时呈现出典型的液膜覆盖固体纤维的复合结构。值得注意的是,在桑蚕丝丝胶涂层上并没有出现周期性纺锤节的结构,也就是说桑蚕在吐丝的过程中有效地避免了瑞利不稳定在丝胶液膜上的发生。

北京航空航天大学化学学院的刘欢教授课题组受桑蚕丝结构的启发,提出了利用平行排列的双纤维结构来克服纤维表面液膜的瑞利不稳定的简单方法。实验结果表明,平行双纤维可以有效改变其表面液膜的对称性,这种液膜形貌改变所引起的拉普拉斯压差变化是克服其表面流体瑞利不稳定现象的主要驱动力,同时平行纤维之间空隙引发的毛细力也利于液膜在纤维表面沿着长轴方向的铺展。理论计算表明,当液膜体积不足以维持在截面上以圆形包裹纤维时,平行纤维上的液膜可以保持稳定(即,均匀连续)而不出现瑞利不稳定现象。通过这种简单的纤维上克服流体瑞利不稳定的方法,在常温常压下实现了纤维表面均匀涂层的可控制备,为溶液涂覆技术制备均匀复合纤维提供了新思路。

相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202003453)上。文章第一作者为北京航空航天大学化学学院博士生王鹏伟(现香港理工大学博士后),特别感谢北京航空航天大学周嘉嘉教授提供理论计算支持。