随着柔性电子器件的迅速发展，功能纤维器件在航空航天、信息能源、医疗卫生、可穿戴设备等重要领域有着越来越广泛的应用。作为一种简单易行、可一次性制造超长纤维的工程技术，热拉工艺随着最近约二十年的发展，目前已集成多种微纳材料进而实现多功能的纤维器件和织物。
近日，复旦大学航空航天系邓道盛课题组与瑞士洛桑联邦理工大学Prof. FabienSorin课题组合作研究了基于拉伸液膜各向异性流动不稳性导致的丝化现象制造纳米线，并通过液膜的模版化处理来实现纳米线二维和三维结构的可控性和自组装。相关研究成果以“Controlled filamentation instability as a scalable fabrication approach to flexible metamaterials”为题发表于国际顶级期刊《Nature Communications》上。
基于液膜在拉伸状态下的各向异性不稳定性，提出了一种在单次热拉过程中获得大规模间距可控的长纳米线的新型工艺。通过精心的沉积对纤维预制件进行模板化处理（图a），在热拉过程中液膜将预设的间距发生断裂形成纳米线（图b和c），实现规模化制备柔性准材料（图d和e）。
图：利用可控拉伸液膜不稳定性制备柔性超材料
在物理机制上, 拉伸过程中液膜的不稳定性主要源于相互竞争的两种力，即维持稳定的表面张力和在纳米尺度起主导不稳定的范德瓦尔斯力。理论上，使用线性稳定性模型理论地分析了液膜稳定性将由预设波长的扰动波主导的物理参数条件，进而断裂形成纳米线；并且通过数值模拟整个热拉伸过程中液膜几何形状的演变，进一步验证理论分析。
实验上，根据理论指导实现了根据预制件模板化的周期和沉积厚度来调整热拉得到纳米线的直径和间距。多层液膜可以被堆叠在一起，独立的断裂成一定间距和直径的纳米线形成预设的三维结构。由于预制件模板可以被设计成任意的周期性，拉伸过程中通过自组装在多材料纤维中获得超表面的可能性。这种技术为制造低成本和高效益的超长可调纳米线阵列提供了可能，可用于需要数米以上长距离的纳米光子学和光电应用，比如一维超表面和超长柔性的光栅。
这篇文章复旦大学航空航天系邓道盛研究员作为共同通讯作者，徐秉睿博士后（已出站）作为主要参与者。邓道盛课题组在热拉工艺制备多功能纤维器件中的液膜流动不稳定性研究，已发表相关系列理论文章，包括Physical Review Fluids 4, 073902 (2019);Physical Review Fluids 5, 083904 (2020); Advanced Fiber Materials 2, 1 (2020)。这些研究成果对航空航天领域多功能纤维器件、可穿戴设备和新型智能宇航服制造的材料选择和结构设计丰富具有重要的指导意义。
全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-33853-1
