纳米纤维因其独特的物理化学性质和特性而成为最具吸引力的纳米材料之一，在环境过滤、能量转换和存储、柔性电子、组织工程、保温隔热、智能纺织品和个人防护等领域。为了推动纳米纤维材料向用户终端产品的进一步成功，必须开发更先进的制造科学和技术，以同时提供高质量、高生产率、低成本、易于维护和高可靠性，以满足工业需求。
年，著名空气动力学家西奥多·冯·卡门(TheodorevonKármán)发现了卡门涡街现象，即一种流体流过圆柱体产生的不寻常的交替涡流，这种现象可以在流体运动的各种尺度上找到。如果卡门涡流驱动的气-液流相互作用能够被利用成为超细纤维牵伸和成型的方法，这将具有极大的科学意义和应用价值。
近日，清华大学材料学院伍晖副教授课题组与航天航空学院赵立豪副教授课题组合作设计了一种无针溶液吹纺丝技术，这种卡门涡旋吹纺（KV-SBS）系统使用卷对卷的尼龙线来提供纺丝溶液，再加上垂直吹制气流，在生产速率高达5.90g/h的情况下制备多种纳米纤维。该系统可以进一步升级，从单线程到多个并行线程和网格，将纳米纤维的产量提高到公斤级，而不影响其质量。相关研究成果以“High-throughputproductionofkilogram-scalenanofibersbyKármánvortexsolutionblow-spinning”为题目发表去期刊《ScienceAdvances》上。
图1.KV-SBS系统设计与构建。(A)KV-SBS过程示意图。(B)正在运行的KV-SBS设备的照片。(C)溶液射流的高速相机图像。
图2.纤维形成机制。(A)KV-SBS过程中高速相机捕获的喷射溶液。(B)高速摄像机捕获的液体射流形成过程。(C)气体剪切下液体射流的预测横截面半径(r)和速度(u)。(D)螺纹背风侧低速区附近强剪切等值面(流体应变速率范数)。(E)Ux在不同初始气流速度(Ug)下沿z轴的速度分布x=1.1*D。(F~H)三维空间(F)、xz平面y=0(G)、xy平面z=0(H)处气流速度大小与纤维摆动模式耦合的CFD模拟结果。
图3.纳米纤维的高通量制备。(A)KV-SBS与传统纺丝方法的比较。(B)具有单线程、多线程和网格的KV-SBS原理图和高速摄像机图像。(C)带有SS网格的KV-SBS系统的照片。
同年2月，清华大学林元华教授、伍晖教授团队联合北京大学韦小丁研究员团队在期刊《MaterialsToday》上发表了题目“Nanograin–glassdual-phasic,elastoflexible,fatigue-tolerant,andheatinsulatingceramicspongesatlargescales”的文章，报道了溶液吹纺大规模制备具有超轻、弹性和隔热性的陶瓷海绵。所制备的陶瓷海绵材料具有出色的抗疲劳性，在10,次大规模压缩或屈曲循环中不会累积损坏或结构崩塌。此外，这些海绵材料具有从深低温（-°C）到高温（°C）的优异的不随温度变化的超弹性。
本研究中制备的莫来石陶瓷海绵可大规模制备，如：3m2的巨大尺寸的宏观产品可以在几个小时内轻松制造。该工艺采用高速气流作为同时溶剂蒸发和成丝的增强驱动力，从而实现了大规模、环保和具有成本效益的生产陶瓷海绵。
以上研究有效解决静电纺丝制备纳米纤维效率低的难点，相信这些研究成果必将进一步推动各种纳米纤维材料实用化目标的快速实现。
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