内布拉斯加大学林肯分校的斯科特·施拉格 高性能防弹纤维的内部，展示了其中复杂的层次结构
这种分裂纤维显示出从纳米级到微米级的桥接特征，这为纤维失效提供了新的见解，并可能为下一代超纤维的发展提供信息
信用:乔尔·布雷姆/泰勒·斯托克代尔/尤里·泽尼斯 拉‘n’皮
对许多人来说，这个短语可能让人联想到标志性的一捆捆红甘草(也是吃它们的唯一真正方法)
然而，对于像内布拉斯加大学——林肯大学的尤里斯·泽尼斯和他的同事们这样的材料科学家来说，它代表了一个有用的隐喻，即在防弹衣和航空航天工程中发现的高性能纤维具有惊人的相似结构
它还可以描述一种强有力的新技术，用于分析，并如泽尼斯所希望的那样，最终解决这些聚合物纤维的失效问题——不会太早十年
20世纪60年代和70年代掀起了一场纤维相关技术的革命，德泽尼斯称之为“一场真正的革命”，改善了纤维的化学、成分和加工
但他说，这个源泉在20世纪80年代枯竭了，此后一直相对贫瘠
一个可能的瓶颈？对纤维拉伸到其断裂点(也称为拉伸强度)时的行为了解有限
“我们的想法和我们的美国
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陆军的合作者也认为，这可能是因为我们对这些复杂的纤维如何对载荷作出反应的理解不足
“尽管事实上他们已经研究了50年，仍然没有完全理解断裂机制和变形
“一如既往，当我们想要优化某样东西时，我们首先需要了解它
" 材料科学家已经明白，高性能纤维通常由三个层次组成:比人类头发细几千倍的纳米级卷须；微小的、紧密堆积的卷须束；这些纤维束组成的宏观纤维
或者，用“剥”的术语来说:单个的甘草条，这些甘草条被拉出的捆，以及包含它们的包装
虽然研究人员已经分析了纤维在纳米和宏观尺度上的反应，但没有人知道如何测量微观束之间的相互作用——许多人怀疑这种相互作用对于理解一些违反直觉的发现和整个过程至关重要
泽尼斯指导的博士研究生泰勒·斯托克代尔和他在美国大学的同事
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陆军研究实验室能够胜任这项任务
斯托克代尔发明了一种技术，可以在纤维顶部蚀刻出微小的T形缺口，并在拉伸时剥离其表面，同时避免了其他技术捕捉到的测量结果无效的扰动——这相当于在纳米尺度上走钢丝，而不会干扰它
随着纤维内脏的显露，研究小组能够使用更熟悉的方法，使用纳米压痕仪器测量分离相邻纤维束的力，使用复杂的显微镜拍摄纤维束撕裂的图像
完成后，该团队开始比较两种常见的高性能纤维的性能:一种是由刚性聚合物链组成的凯夫拉纤维，另一种是更柔韧的聚乙烯纤维
泽尼斯和他的同事们对分析纤维原纤化特别感兴趣，纤维原纤化是指纤维束不在同一点撕裂的趋势，就像完全断裂一样，而是在纤维长度的不同点撕裂，导致纤维束拔出和纤维失效
因为没有一个团队能够量化包之间的分离，这个过程，就像包本身一样，仍然隐藏在表面之下
研究小组的实验表明，与刚性凯夫拉尔纤维相比，分离柔性链聚乙烯纤维束所需的能量要少得多，这有助于阐明为什么原纤化沿着前者纤维的长度传播得比后者远得多
受力后聚乙烯纤维(左)和更硬的凯夫拉纤维(右)的显微图
蓝色箭头线表示每种纤维性颤动的长度，表明纤维束分离沿着前者的长度比后者延伸得更远
学分:美国化学学会/美国化学学会应用材料与界面 研究人员说，由此产生的数据和产生数据的技术应该为未来的计算模型提供信息，并最终有助于优化制造过程，从而生产出更具抵抗力、更持久的纤维
“这是第一次，这些信息使我们能够解释纤维性颤动的差异，”泽尼斯谈到该小组的研究时说，该研究最近登上了《美国化学学会应用材料与界面》杂志的封面
“我们正在通过数据解释差异，这已经是一个重大突破
" 它不是唯一的一个
在比较了聚乙烯纤维的卷须、束和整个纤维这三个尺度上吸收的分离能量后，研究小组发现能量遵循所谓的幂律
在这种情况下，吸收的分离能量似乎随着分离表面积的增加而成比例地增加，约为0
5，这意味着相对于规模的增长，能量的增长速度持续放缓
这反过来表明卷须应该比纤维束更容易分开，纤维束比整个纤维更容易分开
这还不是全部
在结构中，幂律标度经常伴随着自相似性:一种现象，其中结构的部分作为一个整体类似于结构，当雪花的臂与整个薄片共享结构特征时
果然，当研究小组比较微观纤维束和宏观纤维部分的分离断裂图像时，发现了跨越两个尺度间隙的相似材料桥——自相似的证据，这也可能有助于解释幂律标度
“断裂力学和物理学领域的人们，当他们看到这样的东西时，他们通常会庆祝，因为它对未来的建模等非常丰富，”泽尼斯说
“这也是非常基本的
它可能最终成为这种复杂、多尺度断裂行为的核心
“我们预计人们现在将会在纤维中寻找自相似性，这可能是第一次，因为以前没有类似的证据
有一个缺失的环节
现在我们有了
" 德泽尼斯说，问题依然存在，其中最有趣的是一句谚语，即链条在最薄弱的环节断裂
他说，这句格言通常适用于结构的失效
根据研究小组对吸收的分离能量的发现，该原理表明，最严重的原纤化应该发生在纳米卷须中，而不是显微束中
“这让我们很困惑，”他说
“这实际上推迟了大约半年的出版
我们来来回回；在我们决定这件事之前，我们大概有15份这份文件的草稿
根据能量，原纤化应该是纳米级的
但是在纤维中有些东西阻止了它，主要的原纤化是在中间尺度
这个问题的答案还没有形成或最终确定，但我们现在有了一些线索
" 与此同时，泽尼斯说，该团队的多重突破应该有助于材料科学家和工程师至少开始解开长期以来限制该领域的一些主线
他说:“纤维制造过程很复杂，人们还不太了解，但有些东西可以调整:一些浓度、一些化学成分、一些拉伸比和温度等等。”
“当我们改变它们时，我们可以测量最终的纤维性能，但是具有如此复杂的失效机制
最终属性只是一个数据点
仅仅理解处理中的变化如何或为什么会影响失败机制是不够的
更好地理解不同尺度上的细节对于研究者来说将是非常非常强大和有益的信息
这些定量信息是进一步开发这些机制和创造新的超级纤维的关键
“我们很兴奋
你很少发现质量上的新东西，更不用说数量上的意想不到了
但这只是开始
"
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