氣相和液相高速流體之間的相互作用規律具有重要的基礎科學意義；在實際生産中，氣、液流的相互作用也具有重要應用價值，例如利用氣流對液體溶液的高速剪切可以制備高性能纖維和粉體材料。在材料科學領域，納米纖維具有獨特的物理化學性質，成為最具吸引力的新型材料之一，在環境過濾、能源存儲、柔性電子、組織工程和病毒防護等諸多領域發揮着日益重要的作用。為了實現先進納米纖維材料的工業化應用，發展高通量、高效率、低成本、連續穩定的納米纖維宏量制備方法具有重要的價值和意義。

1911 年，著名空氣動力學家西奧多·馮·卡門 (Theodore von Kármán)發現了卡門渦街現象，即一種流體流過圓柱體産生的不尋常的交替渦流，這種現象可以在流體運動的各種尺度上找到。如果卡門渦流驅動的氣-液流相互作用能夠被利用成為超細纖維牽伸和成型的方法，這将具有極大的科學意義和應用價值。

beat365伍晖副教授課題組與航天航空學院趙立豪副教授課題組合作開發了一種全新的、結合卡門渦街原理的無針頭溶液氣紡絲技術，提出利用卷對卷裝置連續輸送紡絲溶液進行氣紡絲制備納米纖維，成功實現了納米纖維的高通量制備，為納米纖維的規模化生産提供了新思路和新機遇。

圖1.無針頭溶液氣紡絲系統設計與構建

圖2.無針頭溶液氣紡絲過程中纖維的形成機制

該方法采用全新設計的卷對卷系統來實現無針溶液傳輸以制造納米纖維，紡絲溶液被連續運動的閉環尼龍線從儲液槽中攜帶出後，在高速氣流的驅動下，形成泰勒錐并高速噴射，通過快速拉伸和擺動形成納米纖維。該技術精确設計了空氣射流與卡門渦街相結合的氣流結構。通過流體理論和計算流體動力學模拟的研究發現，穿過尼龍線的高速氣流在尼龍線的背風側産生強烈的剪切應力和卡門渦流。強剪切應力促進了泰勒錐的形成和溶液射流的細化，而卡門渦旋擾亂了流場并加速了氣流從層流到湍流的轉捩，促進了溶液射流的揮發。兩者的共同作用，極大促進了納米纖維的高通量生産。

此外，該技術還具有普适性，可制備高分子、碳、陶瓷、複合纖維等各種纖維材料。相比于傳統的一些納米纖維制造技術，該方法具有更高的制造效率，并且可以由單根線進一步拓展到多根線以及不鏽鋼網，從而進一步提高纖維的制造效率，使得該技術有望成為納米纖維規模化生産的有力平台。

上述研究成果以“通過卡門渦旋氣紡絲法實現公斤級納米纖維的高通量制備”（High-throughput production of kilogram-scale nanofibers by Kármán vortex solution blow-spinning）為題，于3月16日在線發表在《科學進展》（Science Advances）上，并申請了發明專利。

beat3652021級博士生李子威、清華大學航天航空學院工程力學系2017級博士生崔智文、趙立豪副教授為共同第一作者，beat365伍晖副教授為本論文的通訊作者。論文工作得到國家自然科學基金基礎科學中心、北京市傑出青年科學基金、中國博士後科學基金和清華大學國強研究院的項目支持。

論文鍊接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn3690