冷拉（cold-drawing）是热塑性纤维制备过程中的一个常见工艺。不过，如果在聚合物纤维中间放一根脆性的芯，再进行拉伸，结果又会是怎样的呢？中佛罗里达大学Ayman F. Abouraddy教授课题组为我们展现出了一个出乎意料的结果：不同材质的芯会拉断形成长径比固定的均匀短棒。这一发现发表在近期的《Nature》杂志上。（Controlled fragmentation of multimaterial fibres and films via polymer cold-drawing. Nature, 2016, 534, 529-533, DOI: 10.1038/nature17980）
图片来源：Nature Publishing Group
我们在生活中通常有这样的经验：如果将用力拉一个透明塑料袋，你会发现，拉伸过程中袋子中部会变细，同时也会变得不透明，这两个现象就是热塑性塑料拉伸过程中的“细颈化（necking）”与“应力发白”现象。同样，“细颈化”过程也会发生在热塑性纤维的拉伸过程中。在纤维制备工艺中，初生纤维可以通过冷拉过程提高聚合物链的取向度及结晶度。上述工艺早已被广泛的用于工业生产中，而这一力学过程也被研究的较为透彻。不过，Abouraddy教授课题组可谓是另辟蹊径，他们把脆性材料的细芯放进聚合物的皮层中，制备成了复合材料纤维，然后就这么简单一拉，发现了一个十分奇妙的现象：聚合物纤维中的脆芯断裂成了尺寸一致的短棒。这一现象具有很强的普适性，他们在多种材料中都重现了这一奇妙的现象，聚合物包括聚醚砜、聚碳酸酯、聚醚酰亚胺、聚砜等等热塑性聚合物，而脆芯包括硒化砷玻璃、硅、锗、金、聚苯乙烯等等。
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我们先来看看他们有什么有趣的发现吧。首先，对于同一种芯材来说，无论芯材的直径有多少，最后得到的短棒均具有一致的长径比；其次，对于不同的芯材来说，短棒的长径比则与材料的杨氏模量的平方根成正比；最后，短棒的长径比与聚合物“细颈化”过程与长度无关。
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那么，这一过程究竟是如何发生的呢？研究者通过模拟计算了拉伸过程中纤维上的应力分布于变化过程。随着拉伸的进行，细颈的出现伴随着芯材的断裂，这是由于应力集中于细颈处。随着拉伸的进行，细颈不断的扩展，脆性材料也在肩颈处以一定的长径比发生断裂。同时，断裂的短棒之间形成空隙，使得短棒之间彼此分离。
a）细颈化过程中的可控均匀断裂，b）无细颈化过程的随机断裂。
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纤维拉伸过程中的应力分布。图片来源：Nature Publishing Group
除了纤维状的芯材，带状的芯材也可以在拉伸过程中形成均匀的线状材料。研究者还将多股芯材放进纤维之中同时拉伸（4000根芯，直径500 nm），通过拉伸造成芯材的可控断裂，再将聚合物溶解，即可大规模的制备均匀的纳米棒，该法具有较强的工业化应用的前景。此外，如果对拉伸后的聚合物进行热处理，释放拉伸过程中的应力，则会发现纳米棒又重新恢复成之前的状态。
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这个有意思的现象可能在制备三维纳米结构阵列、开发动力学和热可逆伪装、制造用于高灵敏度生物检测的大面积超表面等方向有应用潜力。
http://www.nature.com/nature/journal/v534/n7608/full/nature17980.html