號外:靜電紡絲終於上Science了!

近日，Science在線發表了一篇關於電紡納米纖維的文章，為了更好地宣傳電紡，讓更多的人了解電紡，本期小編與《納米人》公眾號進行合作，對文章進行了深度解析......

本期由《靜電紡絲學術前沿》與《納米人》合作對文章進行深度解析！

納米人原道專欄  第2期

 

Science是國際頂級學術期刊，但是偶爾也會發表一些「似乎水平不怎麼樣」的研究成果，俗稱「灌水」。每當遇到這種情況，就會有人出來抱怨大牛們的不公平。或者，回憶起這想法我也有過，可惜做了一段時間就停下來了，因為覺得做不下去了。那麼，為什麼一些「似乎水平不怎麼樣」的研究成果能夠發表在Science呢，難道Science是傻的嗎？ 難道Science聘用的100多位評審編輯是做擺設的嗎？

 

今天，我們以最近的一篇Science文章為例來解析一下：為什麼同樣的工作，別人能發到Science，而我卻不能！

2018年4月20日，Science在線發表了一篇關於電紡納米纖維的文章。第一眼看上去，文章報導的其實只是一個非常普通的現象，通過毛細力誘導摺疊實現浸溼態納米纖維膜的大尺度形變。我不禁一聲嘆息，怎麼又是別人家的成果！同樣的東西，別人怎麼就能玩得這麼高大上呢！！！

 

做科研，首先要有好奇心。為了弄清楚這篇Science到底有什麼厲害之處，我於是認真研讀了本文，下面請讓我對文章進行深度解析，看別人是怎麼把一個普通的現象玩上Science的！

 

靜電紡絲技術，我猜大家應該都知道吧。簡單來說，靜電紡絲技術是一種材料加工技術，能夠製備出直徑從幾納米至幾微米的連續納米纖維。

PS：其實，熟不熟悉靜電紡絲也沒關係，這篇文章只是研究基於電紡納米纖維膜的一種現象。

 

相信做電紡的小夥伴們一定有把纖維膜泡進水裡的經歷吧，很多時候都是形成一坨類似鼻涕一樣的東西吧，黏糊糊，噁心至極。也許還有小夥伴們做過電紡纖維膜的浸泡處理，或者是dip-coating處理。處理完後，如果處理不當，烘乾後膜會收縮、變皺得厲害。

 

這篇文章研究的正是這個電紡纖維膜收縮的現象。

 

首先，我們來看看具體的現象吧，先從圖片看起，這膜確實是夠平整： 

圖1：納米纖維膜的收縮現象：A，電紡PVDF-HFP納米纖維膜（纖維直徑300 nm, 膜厚度大概幾微米）；B，將纖維膜用矽油潤溼，用8個夾子支撐拉平；C-E，將夾子平臺向中間收縮靠攏，可以看到雖然膜的面積在減小，但始終沒有鬆弛和下垂，而是保持平坦的狀態。其原因正是文章作者要研究的wrinkle和stack現象，（編註：wrinkle譯為褶皺，可以理解為小幅度的收縮；stack譯為摺疊，可以理解為大幅度的收縮重疊）；F，局部放大圖可以看到產生的褶皺。另外文章作者把這種收縮的褶皺稱之為「membrane reservoirs」。

但是，如果僅僅停留於發現了這個現象，顯然是不夠的。一個idea要凸顯其重要性和與眾不同，就必須要有重大的研究背景和應用價值。那麼，這篇文章的作者，是怎樣體現其重要性的呢？

 

仿生，是近年來常用的高大上背景和靈感來源，屢試不爽。本文作者煞費苦心，走的也是這個套路，文章一開頭introduction便鋪陳了一大段排比，列舉了多個仿生現象：

1）某種蜘蛛絲(ecribellate spiders)能夠拉伸高達10000%，而且在任何狀態下都保持直線狀態；

2）細胞能夠伸縮，比如巨噬細胞能夠吞噬自己體積5倍大的細菌或細胞殘片；

3）T lymphocytes細胞能夠拉伸40%擠進微血管中；

4）10微米寬的神經元細胞能夠伸出數百個微米尺寸的neuronal projections；

5）纖維母細胞的滲透膨脹能夠導致70%的體積增大。

 

然後，作者反問：為什麼這些細胞能夠承受這麼大的形變呢？那是因為細胞膜是褶皺的並且有大量的微絨毛。然後，作者在introduction裡進一步描述了可拉伸材料的各種潛在用途，比如柔性電池，智能織物，生物醫學器件，組織工程，軟體機器人等等。

 

不得不承認，作者的知識面之廣，眼界之寬。一口氣上來這麼多例子和應用，換作是我，絞盡腦汁也想不出這些啊。

 

更厲害的是，作者接下來展開了高深的mechanics建模分析。各種公式、模型，對於學化學的我來說，看的是雲裡霧裡，不知所云，反正覺得很高大上就是了。

圖2：毛細力誘導的褶皺和摺疊的mechanics分析：A，水浸溼的電紡聚丙烯腈(PAN)納米纖維膜，寬度L=4 cm，兩邊固定在移動的平臺上。可以發現兩邊靠攏時纖維膜有明顯的褶皺圖案。（注，文中用的wicked membrane來形容這個纖維膜，具體也不好準確翻譯，意思應該是纖維膜吸水後通過毛細力發生了收縮褶皺，暫且直接稱之為浸溼的纖維膜或者液態膜）；B，一些列顯微照片顯示纖維膜收縮的狀態和過程（a 平坦沒有褶皺狀態；b 100%褶皺（wrinkled）狀態；c 同時存在褶皺（wrinkled）和摺疊（stacked）的狀態；d 100%摺疊（stacked）狀態）；C，褶皺過程的物理解釋：當液態膜厚度（h）和彈性毛細力長程(elasto-capillary length, Lec)不同大小關係的三種情況；D，液態膜厚度h與褶皺波長λ之間關係的實驗數據。

首先，作者通過顯微鏡觀察了纖維褶皺的形貌，如圖2B所示。對於觀察到的褶皺，作者又用了幾個形象的比喻：褶皺的皮膚，乾癟的水果，大腦溝壑，懸掛的窗簾等。

 

然後，作者通過一個簡單的模型分析了這個褶皺的現象。（註：這個模型忽略重力的影響，因為他們發現重力僅僅會對發生褶皺的方向產生影響。）用到的幾個物理量包括：

褶皺的波長：wavelength，λ

界面張力(表面張力)：interfacialtension，γ

纖維膜的厚度：fibrousmembrane thickness，t0

液態膜的厚度：liquidfilm thickness，h

膜的抗彎剛度，bendingstiffness，B

彈性毛細力長程，elastocapillarylength，Lec=(B/γ)1/2

 

這個模型系統考察的重要參數是：h/Lec

當h/Lec << 1 時，就是我們日常能夠觀察到的現象，比如浸溼的紙張和布，這時候表面張力基本可以忽略，因而紙或布不會發生褶皺；

當h/Lec>> 1 時，就會發生文章所描述的褶皺的想像。這時候表面張力不可忽視，強的毛細力會驅使纖維膜發生收縮褶皺。

具體的模型分析支撐材料裡有大量的公式推斷分析，感興趣的讀者可以去看看。反正小編我是一看到各種數學公式就犯暈。

  

接下來，作者們進一步拓寬思維，考察了不同形狀的情況，比如二維平面，圓筒狀，以及球狀的收縮摺疊情況，如圖3中所示。他們觀察到了同樣的現象，即，雖然他們的面積或體積在收縮，纖維膜的表面依然保持「平整」。

圖3：不同形狀纖維膜的情況：A，D，G為用肥皂水形成的平面，圓柱，和球狀的收縮情況；B, E, H為用浸潤纖維膜（PVDF-HFP）形成的平面，圓柱，和球狀的收縮情況；C, F, I為B, E, H對應情況參數的考察分析。

為了讓大家看得更直觀，上幾個視頻吧：

視頻1. 二維平面纖維膜收縮情況

視頻2. 圓筒狀纖維膜收縮情況

視頻3. 球狀纖維膜收縮情況

最後，作者們展示了兩個潛在的應用：1）表面功能化；2）可拉伸電路。如下圖4所示：

1）用電紡納米纖維膜將一個鋯珠包住，可以看到沒有包裹纖維膜是鋯珠表面不能被紅色的水浸染（a）；當用親水性的PAN纖維膜包裹，在水中浸泡拿出後，被均勻地浸染（b）；當用疏水性的PADF-HFP纖維膜包裹，則不能被水浸染（c）。

 2）在電紡PVDF-HFP納米纖維膜表面粘附上100 nm厚的金（Au）作為導線並連上LED燈泡，從而實現可拉伸電路的設計。

 

其實在筆者看來，這兩個應用實在是有點牽強附會：

 

第一個應用貌似跟那個褶皺的現象毫無關聯，完全取決於纖維膜的親疏水性。而且這種表面纖維包裹功能化的處理完全不會比使用簡單的表面修飾方法穩定牢固。

 

對於第二個應用，也存在一定的問題，首先，這個纖維膜必須是浸潤狀態才具有拉伸性，浸潤液體肯定會對電路有所影響，因而沒什麼實用價值；其次要在厚度幾微米的纖維膜表面牢固地沉積導電金屬材料必定操作困難。

 

圖4：Wicked membrane的應用：A，用纖維膜包裹鋯珠進行表面功能化；B，基於纖維膜的柔性可拉伸電路。

最後，我再總體總結一下對這篇Science文章的研讀心得：

筆者也曾做過電紡纖維膜的dip-coating處理，在這裡不得不又一次捶胸頓足，感慨又一次與Science失之交臂啊！不過，通過精讀這篇文章，我還是獲取了很多新的領悟。

 

科學，是發現新現象，新規律的學問。越是簡單的實物，往往蘊含著越本質的科學問題。所以古人有云：致知需格物。但是光靠格物致知也不行，還要有豐富的想像力和深刻的觀察力，這樣方能學以致用。所以，周敦頤只知荷葉「出淤泥而不染」，卻不知道荷葉的超疏水及其原理；王陽明格竹子7天，徒然換得眼花而已；孔子三日不食，以思，無益。

 

這篇Science所涉及到的雖然是一個普通的現象，但是作者發揮了充分的想像力、洞察力以及知識儲備。沒有洞察力，不能寫出排比句；沒有想像力，不能寫出比喻句；沒有足夠的知識儲備，模擬分析不要說做不好，根本連想都想不到。實際應用雖然有點牽強，但是瑕不掩瑜，並不影響整個論文的深度和高度。再者，《Science》更多關注的是Science，而不是Technology。

 

當然，作為一個從事了多年靜電紡絲工作的人員，我覺得該文章還是有很多問題值得進一步探討的，比如：

 1）纖維材料本身的性質，以及纖維直徑大小、孔隙率等因素的影響作者們都沒考慮；

 2）纖維膜在水或溶劑中會發生一些反應或變化，比如溶解、溶脹、分層等現象也都沒有考慮，並且厚度僅為幾微米的納米纖維膜強度是很弱的，操作非常困難、複雜；

 3）這個褶皺的現象只能在溼潤狀態才會發生，一旦乾燥其形變便是不可逆的，因此其實際應用會受到很大的限制。

 

由於知識和見解有限，如有錯誤或問題歡迎指正、交流！

靜電紡絲學術前沿 (Frontiers in Electrospinning)