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专访 | 华人科学家冯浩教授:如何连续、稳定、大量、经济地制备形貌和结构均匀并可调控的纳米纤维以及纤维膜是静电纺丝产业化的最大挑战
2018/8/1 13:49:19 易丝帮 0 条评论 邀请点评
编者按
冯浩教授现任美国南达科他州矿业与技术学院终身教授;20132015年间,他是该校最年轻的正教授;并于2017年荣获“Presidential Award for Outstanding Professor”(该校教师最高荣誉)。近15年来,冯教授及其领导的科研团队致力于“静电纺纳米纤维的制备及应用”的基础理论及应用开发研究,发表SCI论文150余篇,根据Google Scholar资料,其论文已被引用一万二千余次,其个人H-Index为50(至20187月)。近日,易丝帮有幸采访了冯浩教授,请他分享了二十多年来致力于静电纺丝与纳米纤维的故事。

静电纺丝结缘

这是个很长的故事。

1988至1993年,冯浩教授在中国科技大学材料科学与工程系取得了高分子化学的本科学历;于1995年获得美国阿克隆大学(University of Akron)高分子科学系(Department of Polymer Science)全额资助,在Darrell H. Reneker教授的指导下,在国际上率先开展了“静电纺丝与纳米纤维”的研究。后来,Reneker教授被认为在20世纪90年代重新发明了静电纺丝技术。

目前世界上(包括美洲、欧洲和亚洲)有许多大学和科研单位在从事该领域研究,并且该研究领域被国际权威机构(ThomsonISI)评定为21世纪材料科学领域最为活跃的6大方向(Fast Moving Fronts)之一。

转瞬已过去二十多年,是什么原因让冯浩教授一直从事静电纺丝与纳米纤维的研究呢?在采访过程中,冯教授提到了三点:

“首先,在阿克隆大学Reneker教授团队时,逐渐理解了静电纺丝是什么样的材料加工方法(或纤维成型技术)”

这中间,他提到了两篇论文。第一篇发表于Polymer,该论文首次对静电纺丝的参数条件及其对于纳米纤维形貌的影响进行了半定量化的论述。第二篇发表于Journal of Applied Physics,该论文首次对“弯曲扰动(Bending Instability)现象”以及“静电纺丝的成丝机理”进行了系统性和理论性的论述。这两篇文章皆被认为是“静电纺丝与纳米纤维”领域的经典论文,至今分别被引用2000余次(根据Google Scholar资料)。

(Hao Fong, Iksoo Chun, and Darrell H. Reneker*. “Beaded Nanofibers Formed During Electrospinning”, Polymer 40, 4585-4592, 1999)

(Darrell H. Reneker*, Alex L. Yarin*, Hao Fong, and Sureeporn Koombhongse. “Bending Instability of Electrically Charged Liquid Jets of Polymer Solutions in Electrospinning”, Journal of Applied Physics, 87, 4531-4547, 2000)

冯教授继续谈道,“进入90年代中后期,纳米概念开始兴起,纳米技术的迅速发展推动了静电纺丝的进步,使得静电纺丝成为纳米领域的一部分,这算是第二个重要原因。”

谈到纳米技术的兴起,冯教授还向笔者讲了一个小插曲。在纳米概念流行之前,静电纺纤维就被称为“nanofibers”,以区别于传统的微米级纤维;后来“纳米”才被定义为1-100 nm。这些年,有些人提出使用“nanofibers”并不准确,因为静电纺纤维直径通常是几百纳米,更准确的表达应为亚微米级纤维;但由于nanofibers使用在前,还是要遵循历史。

讲完这个小故事,冯教授会心一笑。接着他严肃强调到,静电纺纤维如果不引入其他具有纳米效应的因素,其自身不具备纳米效应;从这个层面来说,静电纺纳米纤维不是纳米材料。当然,如果在电纺时或者电纺后引入了具有纳米效应的因素,那么整体材料可以属于纳米材料。

讲完第二点,冯教授笑着说,“第三点才是最重要的原因。”他表示,“大家逐渐认识到,静电纺丝是一种特种材料加工方式(或纤维成型方法),可以制备亚微米至纳米级高分子、陶瓷、碳、复合材料等纤维材料。大量研究结果表明,静电纺纳米纤维在过滤及分离、载体材料、特种织物、复合材料、生物医学、微电子科技、可再生能源等众多领域具有非常广阔的应用前景。”

热诱导自团聚的方法制备3D组织支架

采访中,笔者对冯教授团队用thermally induced self-agglomeration的方法制备3D组织支架结构一直表示好奇,因此向其请教该方法如何实现?

冯教授告诉笔者,“thermally induced self-agglomeration即热诱导自团聚,其实就是用熔点(或者软化点)比较低的PCL通过静电纺丝制备PCL纳米纤维膜,然后将其打成小块和短纤维,这些小块和短纤维会在大约55℃的水悬浮液中自发聚集(要注意,这里没有使用交联剂,纳米纤维通过PCL自粘合发生凝聚),最后进行冷冻干燥转化为3D纳米纤维支架。

笔者继续向冯教授询问,热诱导自团聚的方法制备3D组织支架的优势在哪里?冯教授透露,“用这种方法制备的3D组织支架柔软有弹性,孔隙率非常高,约为96.4%,形态上和结构上都类似于天然细胞外基质,因此非常适合细胞功能和组织的形成。另外,实验中无需添加任何交联剂便可制备,对于做生物材料是很大的优势。”

从科研向产业的跨越

冯教授的科研团队在蛋白质的高效与快速分离方面进行了不少研究,他们的蛋白质分离产品与市场上最好的分离介质相比,分离吸附量提高至少50倍,分离速度也显著提高。

回想起当年,冯教授自豪地说,“当时许多投资者看中了其中巨大的潜力,要知道蛋白质分离在许多药物的制备成本中占相当大的比重。”

于是,在2011年他与合作人Todd Menkhaus教授创建了“Nanofiber Separations,LLC”,该公司已获得(美国)国家科学基金“高科技类小微企业基金”约一百五十万美元,天使投资(创业投资)约一百五十万美元,并于2014年3月获得南达科他州“Governor’s Giant Vision Business”奖,被美国十余个新闻机构报道。

静电纺丝的产业化难点在于电纺本身

在采访过程中,笔者几次向冯教授询问,“纳米纤维机械强度低、过滤材料中纤维膜与基材粘结性差是否是静电纺丝产业化的技术难点?”

听完笔者的困惑,他耐心地解释,“其实你提到的这些并不是静电纺丝最大的难点;在我看来,如何能够连续、稳定、大量、经济地制备形貌和结构均匀并可调控的纳米纤维以及纤维膜才是静电纺丝产业化的最大挑战”。

他还强调,“我所指的纳米纤维是单根纤维,而纤维膜也需要厚度、克重、致密度、均匀性等因素来共同衡量;真正的难题在于静电纺丝本身。”

无针纺、有针纺,要根据具体的应用

目前,世界范围内有很多静电纺丝的方式,针纺,无针纺(包括线纺、面纺等),笔者也趁此机会询问哪种纺丝方式更好?

冯教授告诉我们,不能一概而论,要看具体应用。如果说空气过滤,他个人认为可能无针电纺会好一些;如果做无基材的自支撑材料,有针纺可能更适合。

静电纺丝,未来可期

静电纺丝是当前最为便捷且多样化的纳米连续长纤维制备技术。由静电纺丝技术可以制备出纳米级高分子、陶瓷、碳、复合材料等纤维以及纤维膜。对此,我们也咨询了冯教授如何看待静电纺丝未来的发展前景。

冯教授的看法是,静电纺丝能够通过相对简单的制造方法获得高性能的纳米纤维材料,该领域具有显著的科学意义和巨大的实际应用价值。

他接着强调,“我们应该明确静电纺丝只是一种材料加工方法,所制备的纤维膜关键是要找到具有高附加值的应用;比如在过滤分离、生物医学等领域,我认为都非常具有产业化应用前景。”冯教授又举例说道,“江西师范大学侯豪情教授所创建的公司生产的聚酰亚胺纳米纤维膜,日产量估计可达到一万平方米,同时还可以做到厚度、克重、孔隙率可控,对于应用在锂离子电池隔膜上前景非常好。”

中国和美国在科研团队上的差异

专访中,笔者还请冯教授谈了谈,中国和美国在科研团队上的不同?

冯教授告诉我们,近些年,中国的科研经费相对充足,而美国的科研经费申请比较困难。冯教授无奈地表示,“在美国要支持一个博后每年大约需要10万美元,支持一个博士生每年至少需要5万美元。由于经费限制,美国教授的科研团队一般不会很大(1-2名博士后和3-5名博士生就是很不错的团队规模了);而在中国,一个团队具有数名青年教师,十几甚至几十名博士生很通常。”他接着说到,“但是美国的教授(无论是助理教授、副教授还是正教授)都是独立的,便于开展科研合作。”

给学生们的建议----立论依据对于科研很重要

冯教授一直要求自己的学生,做科研时除了需要明确目的、方案,更重要的是仔细揣摩(方案的)立论依据。他注意到许多学生只是为了完成导师布置的工作,并没有踏实地去探索自己的课题应该如何研究。

冯教授表示,一般来说,作为博士论文,实验方案或实验途径肯定是前人未研究过,或者还未彻底研究清楚的,所以立论依据非常关键,需要查阅大量文献资料、广泛调研,需要对该领域的研究现状、水平、发展趋势和存在问题以及对此的思考进行综合和分析,证明该科研项目确有研究的必要,再进行后续工作。而当实验目的、实验方案、立论依据明确清晰后,选材、实验、写论文一切会顺理成章。

    后记

    作为“静电纺丝与纳米纤维领域”的开拓者和著名学者之一,笔者向冯浩教授发出了专访邀约;恰逢冯教授回国之际,我们把采访约在了清华大学化学系。
    七月的北京正值雨季,采访当天大雨瓢泼,冯教授依然坚定地接受了我们的采访,让笔者深为感动。从言谈中能深深地感受到冯教授对科研的激情,他一再强调,如何连续、稳定、大量、经济地制备形貌和结构均匀并可调控的纳米纤维以及纤维膜是静电纺丝产业化的最大挑战。

文章关键词: 静电纺丝,纳米纤维
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