在别人的Science里，流自己的泪！
2018/5/5 11:49:32 中科院物理所
本文经授权转载自纳米人微信公众号
Science是国际顶级学术期刊，但是偶尔也会发表一些“似乎水平不怎么样”的研究成果，俗称“灌水”。每当遇到这种情况，就会有人出来抱怨大牛们的不公平。或者，回忆起这想法我也有过，可惜做了一段时间就停下来了，因为觉得做不下去了。那么，为什么一些“似乎水平不怎么样”的研究成果能够发表在Science呢，难道Science是傻的吗？ 难道Science聘用的100多位评审编辑是做摆设的吗？
今天，我们以最近的一篇Science文章为例来解析一下：为什么同样的工作，别人能发到Science，而我却不能!
原文链接：http://science.sciencemag.org/content/360/6386/296
2018年4月20日，Science在线发表了一篇关于电纺纳米纤维的文章。第一眼看上去，文章报道的其实只是一个非常普通的现象，通过毛细力诱导折叠实现浸湿态纳米纤维膜的大尺度形变。我不禁一声叹息，怎么又是别人家的成果!同样的东西，别人怎么就能玩得这么高大上呢!!!
做科研，首先要有好奇心。为了弄清楚这篇Science到底有什么厉害之处，我于是认真研读了本文，下面请让我对文章进行深度解析，看别人是怎么把一个普通的现象玩上Science的!
静电纺丝技术，我猜大家应该都知道吧。简单来说，静电纺丝技术是一种材料加工技术，能够制备出直径从几纳米至几微米的连续纳米纤维。
PS：其实，熟不熟悉静电纺丝也没关系，这篇文章只是研究基于电纺纳米纤维膜的一种现象。
相信做电纺的小伙伴们一定有把纤维膜泡进水里的经历吧，很多时候都是形成一坨类似鼻涕一样的东西吧，黏糊糊，恶心至极。也许还有小伙伴们做过电纺纤维膜的浸泡处理，或者是dip-coating处理。处理完后，如果处理不当，烘干后膜会收缩、变皱得厉害。
这篇文章研究的正是这个电纺纤维膜收缩的现象。
首先，我们来看看具体的现象吧，先从图片看起，这膜确实是够平整：
图1：纳米纤维膜的收缩现象：A，电纺PVDF-HFP纳米纤维膜(纤维直径300 nm, 膜厚度大概几微米)；B，将纤维膜用硅油润湿，用8个夹子支撑拉平；C-E，将夹子平台向中间收缩靠拢，可以看到虽然膜的面积在减小，但始终没有松弛和下垂，而是保持平坦的状态。其原因正是文章作者要研究的wrinkle和stack现象，(编注：wrinkle译为褶皱，可以理解为小幅度的收缩；stack译为折叠，可以理解为大幅度的收缩重叠)；F，局部放大图可以看到产生的褶皱。另外文章作者把这种收缩的褶皱称之为“membrane reservoirs”
但是，如果仅仅停留于发现了这个现象，显然是不够的。一个idea要凸显其重要性和与众不同，就必须要有重大的研究背景和应用价值。那么，这篇文章的作者，是怎样体现其重要性的呢？
仿生，是近年来常用的高大上背景和灵感来源，屡试不爽。本文作者煞费苦心，走的也是这个套路，文章一开头introduction便铺陈了一大段排比，列举了多个仿生现象：
1)某种蜘蛛丝(ecribellate spiders)能够拉伸高达10000%，而且在任何状态下都保持直线状态；
2)细胞能够伸缩，比如巨噬细胞能够吞噬自己体积5倍大的细菌或细胞残片；
3)T lymphocytes细胞能够拉伸40%挤进微血管中；
4)10微米宽的神经元细胞能够伸出数百个微米尺寸的neuronal projections；
5)纤维母细胞的渗透膨胀能够导致70%的体积增大。
然后，作者反问：为什么这些细胞能够承受这么大的形变呢？那是因为细胞膜是褶皱的并且有大量的微绒毛。然后，作者在introduction里进一步描述了可拉伸材料的各种潜在用途，比如柔性电池，智能织物，生物医学器件，组织工程，软体机器人等等。
不得不承认，作者的知识面之广，眼界之宽。一口气上来这么多例子和应用，换作是我，绞尽脑汁也想不出这些啊。
更厉害的是，作者接下来展开了高深的mechanics建模分析。各种公式、模型，对于学化学的我来说，看的是云里雾里，不知所云，反正觉得很高大上就是了。
图2：毛细力诱导的褶皱和折叠的mechanics分析：A，水浸湿的电纺聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜，宽度L=4 cm，两边固定在移动的平台上。可以发现两边靠拢时纤维膜有明显的褶皱图案。(注，文中用的wicked membrane来形容这个纤维膜，具体也不好准确翻译，意思应该是纤维膜吸水后通过毛细力发生了收缩褶皱，暂且直接称之为浸湿的纤维膜或者液态膜)；B，一系列显微照片显示纤维膜收缩的状态和过程(a 平坦没有褶皱状态；b 100%褶皱(wrinkled)状态；c 同时存在褶皱(wrinkled)和折叠(stacked)的状态；d 100%折叠(stacked)状态)；C，褶皱过程的物理解释：当液态膜厚度(h)和弹性毛细力长程(elasto-capillary length, Lec)不同大小关系的三种情况；D，液态膜厚度h与褶皱波长λ之间关系的实验数据。
首先，作者通过显微镜观察了纤维褶皱的形貌，如图2B所示。对于观察到的褶皱，作者又用了几个形象的比喻：褶皱的皮肤，干瘪的水果，大脑沟壑，悬挂的窗帘等。
然后，作者通过一个简单的模型分析了这个褶皱的现象。(注：这个模型忽略重力的影响，因为他们发现重力仅仅会对发生褶皱的方向产生影响。)用到的几个物理量包括：
褶皱的波长：wavelength，λ
界面张力(表面张力)：interfacial tension，γ
纤维膜的厚度：fibrous membrane thickness，t0
液态膜的厚度：liquid film thickness，h
膜的抗弯刚度，bending stiffness，B
弹性毛细力长程，elastocapillary length，Lec=(B/γ)1/2
这个模型系统考察的重要参数是：h/Lec
当 h/Lec << 1 时，就是我们日常能够观察到的现象，比如浸湿的纸张和布，这时候表面张力基本可以忽略，因而纸或布不会发生褶皱；
当 h/Lec >> 1 时，就会发生文章所描述的褶皱的想象。这时候表面张力不可忽视，强的毛细力会驱使纤维膜发生收缩褶皱。
具体的模型分析支撑材料里有大量的公式推断分析，感兴趣的读者可以去看看。反正我是一看到各种数学公式就犯晕。
接下来，作者进一步拓宽思维，考察了不同形状的情况，比如二维平面，圆筒状，以及球状的收缩折叠情况，如图3中所示。他们观察到了同样的现象，即，虽然他们的面积或体积在收缩，纤维膜的表面依然保持“平整”。
图3：不同形状纤维膜的情况：A，D，G为用肥皂水形成的平面，圆柱，和球状的收缩情况；B,E, H为用浸润纤维膜(PVDF-HFP)形成的平面，圆柱，和球状的收缩情况；C,F, I为B, E, H对应情况参数的考察分析。
为了让大家看得更直观，上几个视频吧：
视频1. 二维平面纤维膜收缩情况
图4：Wickedmembrane的应用：A，用纤维膜包裹锆珠进行表面功能化；B，基于纤维膜的柔性可拉伸电路。
最后，我再总体总结一下对这篇Science文章的研读心得：
笔者也曾做过电纺纤维膜的dip-coating处理，在这里不得不又一次捶胸顿足，感慨又一次与Science失之交臂啊!不过，通过精读这篇文章，我还是获取了很多新的领悟。
科学，是发现新现象，新规律的学问。越是简单的实物，往往蕴含着越本质的科学问题。所以古人有云：致知需格物。但是光靠格物致知也不行，还要有丰富的想象力和深刻的观察力，这样方能学以致用。所以，周敦颐只知荷叶“出淤泥而不染”，却不知道荷叶的超疏水及其原理；王阳明格竹子7天，徒然换得眼花而已；孔子三日不食，以思，无益。
这篇Science所涉及到的虽然是一个普通的现象，但是作者发挥了充分的想象力、洞察力以及知识储备。没有洞察力，不能写出排比句；没有想象力，不能写出比喻句；没有足够的知识储备，模拟分析不要说做不好，根本连想都想不到。实际应用虽然有点牵强，但是瑕不掩瑜，并不影响整个论文的深度和高度。再者，《Science》更多关注的是Science，而不是Technology。
当然，作为一个从事了多年静电纺丝工作的人员，我觉得该文章还是有很多问题值得进一步探讨的，比如：
1)纤维材料本身的性质，以及纤维直径大小、孔隙率等因素的影响作者们都没考虑；
2)纤维膜在水或溶剂中会发生一些反应或变化，比如溶解、溶胀、分层等现象也都没有考虑，并且厚度仅为几微米的纳米纤维膜强度是很弱的，操作非常困难、复杂；
3)这个褶皱的现象只能在湿润状态才会发生，一旦干燥其形变便是不可逆的，因此其实际应用会受到很大的限制。
由于知识和见解有限，如有错误或问题欢迎指正、交流!
来源：纳米人
编辑：Aprilis
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