本期由靜電紡絲學(xué)術(shù)前沿和納米人編輯部聯(lián)合出品。
歡迎投稿：inanoer@163.com
原道專欄 第2期
Science是國際頂級學(xué)術(shù)期刊，但是偶爾也會(huì)發(fā)表一些“似乎水平不怎么樣”的研究成果，俗稱“灌水”。每當(dāng)遇到這種情況，就會(huì)有人出來抱怨大牛們的不公平。或者，回憶起這想法我也有過，可惜做了一段時(shí)間就停下來了，因?yàn)橛X得做不下去了。那么，為什么一些“似乎水平不怎么樣”的研究成果能夠發(fā)表在Science呢，難道Science是傻的嗎？ 難道Science聘用的100多位評審編輯是做擺設(shè)的嗎？
今天，我們以最近的一篇Science文章為例來解析一下：為什么同樣的工作，別人能發(fā)到Science，而我卻不能！
原文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/360/6386/296
2018年4月20日，Science在線發(fā)表了一篇關(guān)于電紡納米纖維的文章。第一眼看上去，文章報(bào)道的其實(shí)只是一個(gè)非常普通的現(xiàn)象，通過毛細(xì)力誘導(dǎo)折疊實(shí)現(xiàn)浸濕態(tài)納米纖維膜的大尺度形變。我不禁一聲嘆息，怎么又是別人家的成果！同樣的東西，別人怎么就能玩得這么高大上呢！！！
做科研，首先要有好奇心。為了弄清楚這篇Science到底有什么厲害之處，我于是認(rèn)真研讀了本文，下面請讓我對文章進(jìn)行深度解析，看別人是怎么把一個(gè)普通的現(xiàn)象玩上Science的！
靜電紡絲技術(shù)，我猜大家應(yīng)該都知道吧。簡單來說，靜電紡絲技術(shù)是一種材料加工技術(shù)，能夠制備出直徑從幾納米至幾微米的連續(xù)納米纖維......
PS：其實(shí)，熟不熟悉靜電紡絲也沒關(guān)系，這篇文章只是研究基于電紡納米纖維膜的一種現(xiàn)象。
相信做電紡的小伙伴們一定有把纖維膜泡進(jìn)水里的經(jīng)歷吧，很多時(shí)候都是形成一坨類似鼻涕一樣的東西吧，黏糊糊，惡心至極。也許還有小伙伴們做過電紡纖維膜的浸泡處理，或者是dip-coating處理。處理完后，如果處理不當(dāng)，烘干后膜會(huì)收縮、變皺得厲害。
這篇文章研究的正是這個(gè)電紡纖維膜收縮的現(xiàn)象。
首先，我們來看看具體的現(xiàn)象吧，先從圖片看起，這膜確實(shí)是夠平整：
圖1：納米纖維膜的收縮現(xiàn)象：A，電紡PVDF-HFP納米纖維膜（纖維直徑300 nm, 膜厚度大概幾微米）；B，將纖維膜用硅油潤濕，用8個(gè)夾子支撐拉平；C-E，將夾子平臺(tái)向中間收縮靠攏，可以看到雖然膜的面積在減小，但始終沒有松弛和下垂，而是保持平坦的狀態(tài)。其原因正是文章作者要研究的wrinkle和stack現(xiàn)象，（編注：wrinkle譯為褶皺，可以理解為小幅度的收縮；stack譯為折疊，可以理解為大幅度的收縮重疊）；F，局部放大圖可以看到產(chǎn)生的褶皺。另外文章作者把這種收縮的褶皺稱之為“membrane reservoirs”
但是，如果僅僅停留于發(fā)現(xiàn)了這個(gè)現(xiàn)象，顯然是不夠的。一個(gè)idea要凸顯其重要性和與眾不同，就必須要有重大的研究背景和應(yīng)用價(jià)值。那么，這篇文章的作者，是怎樣體現(xiàn)其重要性的呢？
仿生，是近年來常用的高大上背景和靈感來源，屢試不爽。本文作者煞費(fèi)苦心，走的也是這個(gè)套路，文章一開頭introduction便鋪陳了一大段排比，列舉了多個(gè)仿生現(xiàn)象：
1）某種蜘蛛絲(ecribellate spiders)能夠拉伸高達(dá)10000%，而且在任何狀態(tài)下都保持直線狀態(tài)；
2）細(xì)胞能夠伸縮，比如巨噬細(xì)胞能夠吞噬自己體積5倍大的細(xì)菌或細(xì)胞殘片；
3）T lymphocytes細(xì)胞能夠拉伸40%擠進(jìn)微血管中；
4）10微米寬的神經(jīng)元細(xì)胞能夠伸出數(shù)百個(gè)微米尺寸的neuronal projections；
5）纖維母細(xì)胞的滲透膨脹能夠?qū)е?0%的體積增大。
然后，作者反問：為什么這些細(xì)胞能夠承受這么大的形變呢？那是因?yàn)榧?xì)胞膜是褶皺的并且有大量的微絨毛。然后，作者在introduction里進(jìn)一步描述了可拉伸材料的各種潛在用途，比如柔性電池，智能織物，生物醫(yī)學(xué)器件，組織工程，軟體機(jī)器人等等。
不得不承認(rèn)，作者的知識(shí)面之廣，眼界之寬。一口氣上來這么多例子和應(yīng)用，換作是我，絞盡腦汁也想不出這些啊……
更厲害的是，作者接下來展開了高深的mechanics建模分析。各種公式、模型，對于學(xué)化學(xué)的我來說，看的是云里霧里，不知所云，反正覺得很高大上就是了。
圖2：毛細(xì)力誘導(dǎo)的褶皺和折疊的mechanics分析：A，水浸濕的電紡聚丙烯腈(PAN)納米纖維膜，寬度L=4 cm，兩邊固定在移動(dòng)的平臺(tái)上。可以發(fā)現(xiàn)兩邊靠攏時(shí)纖維膜有明顯的褶皺圖案。（注，文中用的wicked membrane來形容這個(gè)纖維膜，具體也不好準(zhǔn)確翻譯，意思應(yīng)該是纖維膜吸水后通過毛細(xì)力發(fā)生了收縮褶皺，暫且直接稱之為浸濕的纖維膜或者液態(tài)膜）；B，一系列顯微照片顯示纖維膜收縮的狀態(tài)和過程（a 平坦沒有褶皺狀態(tài)；b 100%褶皺（wrinkled）狀態(tài)；c 同時(shí)存在褶皺（wrinkled）和折疊（stacked）的狀態(tài)；d 100%折疊（stacked）狀態(tài)）；C，褶皺過程的物理解釋：當(dāng)液態(tài)膜厚度（h）和彈性毛細(xì)力長程(elasto-capillary length, Lec)不同大小關(guān)系的三種情況；D，液態(tài)膜厚度h與褶皺波長λ之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
首先，作者通過顯微鏡觀察了纖維褶皺的形貌，如圖2B所示。對于觀察到的褶皺，作者又用了幾個(gè)形象的比喻：褶皺的皮膚，干癟的水果，大腦溝壑，懸掛的窗簾等。
然后，作者通過一個(gè)簡單的模型分析了這個(gè)褶皺的現(xiàn)象。（注：這個(gè)模型忽略重力的影響，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)重力僅僅會(huì)對發(fā)生褶皺的方向產(chǎn)生影響。）用到的幾個(gè)物理量包括：
褶皺的波長：wavelength，λ
界面張力(表面張力)：interfacial tension，γ
纖維膜的厚度：fibrous membrane thickness，t0
液態(tài)膜的厚度：liquid film thickness，h
膜的抗彎剛度，bending stiffness，B
彈性毛細(xì)力長程，elastocapillary length，Lec=(B/γ)1/2
這個(gè)模型系統(tǒng)考察的重要參數(shù)是：h/Lec
當(dāng) h/Lec << 1 時(shí)，就是我們?nèi)粘Ｄ軌蛴^察到的現(xiàn)象，比如浸濕的紙張和布，這時(shí)候表面張力基本可以忽略，因而紙或布不會(huì)發(fā)生褶皺；
當(dāng) h/Lec >> 1 時(shí)，就會(huì)發(fā)生文章所描述的褶皺的想象。這時(shí)候表面張力不可忽視，強(qiáng)的毛細(xì)力會(huì)驅(qū)使纖維膜發(fā)生收縮褶皺。具體的模型分析支撐材料里有大量的公式推斷分析，感興趣的讀者可以去看看。反正我是一看到各種數(shù)學(xué)公式就犯暈。
接下來，作者進(jìn)一步拓寬思維，考察了不同形狀的情況，比如二維平面，圓筒狀，以及球狀的收縮折疊情況，如圖3中所示。他們觀察到了同樣的現(xiàn)象，即，雖然他們的面積或體積在收縮，纖維膜的表面依然保持“平整”。
圖3：不同形狀纖維膜的情況：A，D，G為用肥皂水形成的平面，圓柱，和球狀的收縮情況；B, E, H為用浸潤纖維膜（PVDF-HFP）形成的平面，圓柱，和球狀的收縮情況；C, F, I為B, E, H對應(yīng)情況參數(shù)的考察分析。
最后，作者們展示了兩個(gè)潛在的應(yīng)用：1）表面功能化；2）可拉伸電路。如下圖4所示：
1）用電紡納米纖維膜將一個(gè)鋯珠包住，可以看到?jīng)]有包裹纖維膜是鋯珠表面不能被紅色的水浸染（a）；當(dāng)用親水性的PAN纖維膜包裹，在水中浸泡拿出后，被均勻地浸染（b）；當(dāng)用疏水性的PADF-HFP纖維膜包裹，則不能被水浸染（c）。
2）在電紡PVDF-HFP納米纖維膜表面粘附上100 nm厚的金（Au）作為導(dǎo)線并連上LED燈泡，從而實(shí)現(xiàn)可拉伸電路的設(shè)計(jì)。
其實(shí)在筆者看來，這兩個(gè)應(yīng)用實(shí)在是有點(diǎn)牽強(qiáng)附會(huì)：
第一個(gè)應(yīng)用貌似跟那個(gè)褶皺的現(xiàn)象毫無關(guān)聯(lián)，完全取決于纖維膜的親疏水性。而且這種表面纖維包裹功能化的處理完全不會(huì)比使用簡單的表面修飾方法穩(wěn)定牢固。
對于第二個(gè)應(yīng)用，也存在一定的問題，首先，這個(gè)纖維膜必須是浸潤狀態(tài)才具有拉伸性，浸潤液體肯定會(huì)對電路有所影響，因而沒什么實(shí)用價(jià)值；其次要在厚度幾微米的纖維膜表面牢固地沉積導(dǎo)電金屬材料必定操作困難。
圖4：Wicked membrane的應(yīng)用：A，用纖維膜包裹鋯珠進(jìn)行表面功能化；B，基于纖維膜的柔性可拉伸電路。
最后，我再總體總結(jié)一下對這篇Science文章的研讀心得：
筆者也曾做過電紡纖維膜的dip-coating處理，在這里不得不又一次捶胸頓足，感慨又一次與Science失之交臂啊！不過，通過精讀這篇文章，我還是獲取了很多新的領(lǐng)悟。
科學(xué)，是發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，新規(guī)律的學(xué)問。越是簡單的實(shí)物，往往蘊(yùn)含著越本質(zhì)的科學(xué)問題。所以古人有云：致知需格物。但是光靠格物致知也不行，還要有豐富的想象力和深刻的觀察力，這樣方能學(xué)以致用。所以，周敦頤只知荷葉“出淤泥而不染”，卻不知道荷葉的超疏水及其原理；王陽明格竹子7天，徒然換得眼花而已；孔子三日不食，以思，無益。
這篇Science所涉及到的雖然是一個(gè)普通的現(xiàn)象，但是作者發(fā)揮了充分的想象力、洞察力以及知識(shí)儲(chǔ)備。沒有洞察力，不能寫出排比句；沒有想象力，不能寫出比喻句；沒有足夠的知識(shí)儲(chǔ)備，模擬分析不要說做不好，根本連想都想不到。實(shí)際應(yīng)用雖然有點(diǎn)牽強(qiáng)，但是瑕不掩瑜，并不影響整個(gè)論文的深度和高度。再者，《Science》更多關(guān)注的是Science，而不是Technology。
當(dāng)然，作為一個(gè)從事了多年靜電紡絲工作的人員，我覺得該文章還是有很多問題值得進(jìn)一步探討的，比如：
1）纖維材料本身的性質(zhì)，以及纖維直徑大小、孔隙率等因素的影響作者們都沒考慮；
2）纖維膜在水或溶劑中會(huì)發(fā)生一些反應(yīng)或變化，比如溶解、溶脹、分層等現(xiàn)象也都沒有考慮，并且厚度僅為幾微米的納米纖維膜強(qiáng)度是很弱的，操作非常困難、復(fù)雜；
3）這個(gè)褶皺的現(xiàn)象只能在濕潤狀態(tài)才會(huì)發(fā)生，一旦干燥其形變便是不可逆的，因此其實(shí)際應(yīng)用會(huì)受到很大的限制。
由于本人知識(shí)和見解有限，如有錯(cuò)誤或問題歡迎指正、交流！
歡迎投稿：inanoer@163.com
專欄介紹：原道專欄是在納米人學(xué)術(shù)委員會(huì)鼓勵(lì)和支持下開辟的一個(gè)特色學(xué)術(shù)專欄，旨在深入挖掘頂級期刊論文中的良與莠，引導(dǎo)更加深入的科研。欄目稿件包括但不限于對灌水文章的批評，對優(yōu)質(zhì)文章的贊賞，對科研生態(tài)的評論等等。總之，只要是和科研有關(guān)的深度解讀文章，都在我們的接收之列！你，想不想來試一試？
推薦閱讀
