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        上海理?團隊研究“豬??”背后的電紡仿?設(shè)計助推納?纖維應(yīng)?發(fā)展

        2023-12-29 00:00:00
        海外星云 2023年6期

        2021年末,“上海一名大三女生用豬鼻子圈住兩篇SCI”的話題引發(fā)了諸多討論,并一度登上了微博熱搜。

        “這個‘豬鼻子’很有意思,它最初的構(gòu)想是由上海理工大學(xué)電流體動力學(xué)新材料團隊的本科生常淑月提出的。她看到自己的書包上有一個小豬掛件,便對這種豬鼻子的形態(tài)是否可以融入到紡絲頭的設(shè)計產(chǎn)生好奇。后來, 在我們團隊余燈廣教授的指導(dǎo)下,這個設(shè)想成真了?!鄙虾@砉ご髮W(xué)碩士生導(dǎo)師宋文良表示。

        “豬鼻子”到底是什么?它又是怎么與機械設(shè)計、高分子材料等領(lǐng)域聯(lián)系在一起,并制備出具有一鞘雙芯且分離結(jié)構(gòu)的納米纖維呢?

        為了進一步解答上述問題,上海理工大學(xué)余燈廣教授和宋文良博士帶領(lǐng)團隊,對基于靜電紡絲頭的仿生設(shè)計,以及由此產(chǎn)生的潛在應(yīng)用進行了研究與總結(jié)。

        相關(guān)論文以《靜電紡絲頭:從宏觀世界到微觀納米結(jié)構(gòu)的橋梁》為題發(fā)表。

        上海理工大學(xué)青年教師宋文良為該論文的第一作者兼通訊作者,碩士研究生唐昀昕為該論文的共同第一作者,余燈廣教授、東華大學(xué)廖耀祖教授、韓國科學(xué)技術(shù)研究院講席教授金文俊擔(dān)任論文的共同通訊作者。

        靜電紡絲是一種制備納米纖維材料的先進技術(shù),在電場力的作用下,液滴在紡絲頭的頂端會形成泰勒錐并射出流體,而流體經(jīng)過拉伸和固化會形成納米纖維。

        其中, 紡絲頭通常由特殊設(shè)計而成,可以制造出獨特的纖維結(jié)構(gòu),能夠促進納米材料向更小、更有序、更復(fù)雜的方向發(fā)展。

        有趣的是,對自然界某些動植物的特征進行模仿,有利于推動紡絲頭設(shè)計實現(xiàn)意想不到的可能性。

        比如,傳統(tǒng)的空心紡絲頭單軸靜電紡絲,使用的是注射器和針頭,其分別被認(rèn)為是受到動物膀胱和鵝羽毛的啟發(fā)才制造出來的。

        設(shè)計三根不同直徑的針管組成的紡絲頭,內(nèi)、中、外流體可以分別進料,能夠制造出蟶子狀形貌芯鞘分離的無機物或者有機復(fù)合材料; 根據(jù)蓮藕的截面,可以制備出內(nèi)部具有多通道的纖維結(jié)構(gòu)。

        這些精妙的電仿仿生設(shè)計,為非傳統(tǒng)功能纖維的制造帶來了廣闊的想象空間。

        值得一提的是,該團隊希望通過一張圖片,來說明電紡設(shè)計能夠從大自然中汲取靈感,并表達基于此設(shè)計出的纖維可以實現(xiàn)廣泛應(yīng)用的觀點。

        為了設(shè)計出能夠清晰傳達上述思想的圖片,他們不僅找到了中央美院的老師為此專業(yè)繪圖,還邀請了東華大學(xué)纖維改性國家重點實驗室錢成老師為圖片出謀劃策。

        “終版圖片突出表達了大自然啟發(fā)設(shè)計思路的想法,并通過較為夸張的圖片元素展示了‘豬鼻子’等多種電紡仿生設(shè)計制造出的精妙纖維形態(tài)?!彼挝牧急硎?,“從圖片初稿到最終版本我們修改了10余次,最后也得到了包括編輯團隊在內(nèi)的一致好評?!?/p>

        從應(yīng)用上看,采用這種新技術(shù)制造的纖維具有廣泛的應(yīng)用前景。

        首先,一般來說,固體纖維中的封閉空間并不利于物質(zhì)的轉(zhuǎn)移和運輸,而通過此方案制造的、包含多個內(nèi)部腔室的多孔纖維可以很容易地在污染物吸收、催化、超級電容器和電池上獲得應(yīng)用。

        其次,一根纖維內(nèi)的多個腔室,能夠提供多藥物和功能的組合,將治療和診斷組件集成到一種材料中。

        同時,利用該技術(shù),也能將陶瓷、難溶交聯(lián)高分子等一些可加工性較差的材料同步組裝進納米纖維,從而推動納米纖維的應(yīng)用拓展和效能提升。

        接下來,他們將在已經(jīng)開發(fā)的紡絲頭的基礎(chǔ)上,研究包括藥物遞送、傷口敷料、傳感器、催化等在內(nèi)的相關(guān)應(yīng)用。

        此外,需要說明的是,現(xiàn)存的紡絲頭仍然存在一定的局限性。比如,在同軸靜電紡絲中,必須仔細(xì)考慮溶劑的混溶性和相容性。同時,還需要對噴絲頭與其所得纖維形態(tài)之間的關(guān)系進行更詳細(xì)的研究等。

        “滬江大學(xué)(上海理工大學(xué)前身)創(chuàng)始人之一魏馥蘭曾說過這樣一句話:每一艘開往上海的輪船都必須在這所大學(xué)的視線內(nèi)經(jīng)過;在這樣一個校園里,任何有思想的學(xué)生都會感到自己生活在一個大的世界里?!边@些創(chuàng)新設(shè)計值得進一步探索,同時,也歡迎更多有思想的學(xué)生加入我們的研究團隊,用基于仿生設(shè)計的納米纖維實現(xiàn)更多前沿應(yīng)用?!?/p>

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