作者:安娜·德明，物理
（同organic）有机 溶剂设计和静电纺丝工程破解50年难题获得压电尼龙纤维
K编写
Maisenbacher
学分:马克斯·普朗克高分子研究所 尼龙似乎是电子纺织品的首选材料——不仅有一个基于尼龙的成熟纺织业，而且它方便地具有压电晶相——点击它，你就会获得电荷积累，非常适合压力传感和从环境运动中获取能量
不幸的是，将尼龙制成纤维，同时让它呈现出具有压电响应的晶体结构并不简单
“近半个世纪以来，这一直是一个挑战，”德国马克斯·普朗克高分子研究所研究员、美国巴斯大学教授卡迈勒·阿萨迪解释说
K
在最近的一份高级功能材料报告中，他和他的合作者描述了他们现在是如何最终克服这个问题的
尼龙的压电相不仅对电子纺织品有吸引力，而且对各种电子设备也有吸引力，特别是在需要比传统压电陶瓷更不易碎的东西的地方
然而，几十年来，生产具有强压电响应晶相的尼龙的唯一方法是将其熔化，快速冷却，然后拉伸，使其变成近晶δ’相
这就产生了通常几十微米厚的平板——对于电子设备或电子纺织品的应用来说太厚了
压电行为的存在源于尼龙聚合物链中重复单元上的酰胺部分，以及它们与相邻链上的酰胺部分的相互作用
当这些酰胺自由地将它们的偶极与电场对齐时，就有可能利用材料中的压电效应，最早在20世纪80年代就观察到了
然而，在尼龙的大多数结晶相中发生的是，这些酰胺与其他聚合物链上的酰胺形成强氢键，将它们锁定在适当的位置，阻止它们重新定向和排列
因此，我们面临的挑战是找到一种方法来制备使酰胺自由重新取向的相，但不像熔融、冷却和拉伸方法那样受限于它所能产生的形态
干净利落的成功 虽然到20世纪90年代，世界上大多数研究小组已经放弃了生产压电薄膜或纤维的努力，但阿萨迪团队中“杰出的纺织工程师学生”——萨利姆·安瓦尔——的到来促使阿萨迪研究这个问题
研究人员开始考虑在具有强压电特性的阶段生产尼龙的基本因素
熔化、冷却和拉伸的方法取决于快速冷却尼龙，所以阿萨迪和安瓦尔以及他们的合作者研究了如何通过将尼龙溶解在溶剂中，然后快速提取溶剂来获得相同的效果
然而，溶剂倾向于通过破坏酰胺之间的氢键来溶解尼龙，并在它们的位置形成氢键，因此几乎不可能除去溶剂
有一天，安瓦尔告诉阿萨迪，他在用丙酮清洗时，观察到了一个奇怪的现象。在这个实验中，他试图用三氟乙酸(TFA)作为溶剂来生产尼龙膜
尼龙溶液溢出变得透明
怀疑突然的透明一定表明反应正在发生，研究小组用TFA和丙酮制造了一种溶液，并尝试用它加工尼龙
果然，接下来的一周，“塞勒姆带着他的‘灵光乍现’时刻回来了——“我找到了！””阿萨迪说
安瓦尔偶然发现的是丙酮和TFA之间的氢键，这是科学界已知的最强氢键之一
因此，当研究人员将溶液放在高真空的基底上蒸发溶剂时，正如阿萨迪所说，“就像丙酮抓住TFA分子的手，把它们从尼龙中带出来，产生压电晶相
" 纤维甜点 研究人员第一个生产出具有强压电响应的尼龙薄膜
但这并没有完全解决生产纤维的问题，因为生产方法仍然与高真空不相容
所以他们研究了控制溶剂提取率的其他方法
他们专注于通过静电纺丝生产纤维，在静电纺丝中，电场将聚合物溶液拉成直径可小至几十纳米宽的纤维，其中纤维的高表面积与体积比产生高溶剂提取率
诀窍是用聚合物溶液的粘度和静电纺丝条件来平衡这一点，这样其他因素就不会妨碍纤维在珍贵的δ′相中形成
研究人员在200纳米左右的纤维竞争因素之间找到了一个最佳点
在频率为8 Hz的周期性机械冲击下产生的电势的测量表明，200纳米δ’相纤维产生6 V，而较窄的纤维产生小于0
因为与这些宽度处的窄度相关的因素导致纤维在没有压电响应的阶段形成
事实上，在1000纳米左右的较宽纤维中，尼龙形成γ晶相，其压电响应很弱，因为纤维太厚，无法进行有效的快速溶剂萃取
较厚纤维中γ相较差的压电响应在某种程度上被较大体积的纤维所补偿，从而导致4V电势的产生
然而，200纳米δ’相纤维仍然具有响应更灵敏的优点
电线对敲击的敏感性表明了一系列令人兴奋的可能应用，从脉搏测量等生物识别监控，到一种可以让你只需穿着尼龙服装四处走动就能给手机充电的设备
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