为了做研究，这群物理学家学会了织毛衣

原创：向菲菲科研圈 2018-10-16

图片来源： nabo.com.au

撰文向菲菲

编辑徐文慧

每个人的衣橱里想必都至少有一件针织衣物。针织品不仅因柔软、富有弹性的触感带来穿着的舒适，它极好的弹性和延展性也在生物医学、工程技术和仿生学等领域有着广泛的应用。这项拥有上千年历史的技术，到底是如何赋予织物弹性和延展性的呢？目前为止都没有一项成熟的理论对此做出解释。近日，来自法国的科研人员终于揭开了这项古老又神秘技术的面纱，他们设计了一个简单的理论模型，成功回答了影响和衡量织物弹性和延展性的因素，其结果于 6 月 22 日发表在影响因子高达 14 的 Physical Review X 上。

针织是一种工艺过程，将纱线构成线圈，再通过一定的规则相互串套线圈，连接成二维或三维结构。而编织则是将条状材料重复交叠，形成平面或立体的结构。

针织和编织：左图为针织，右图为编织

图片来源：theknittinggarden.org

这两种工艺虽然有着相似的名字，对原材料的物理性质改变却各有不同：经过编织的面料，原材料本身的弹性可能在密织结构下降低；针织却能赋予面料极大的弹性和延展性。我们秋冬常戴的针织围巾，施加很小的力就能使其产生显著的形变，并且这种形变是相对可逆的；若用相同的力拉伸织这条围巾所用的毛线，则只能使毛线产生很微小的形变。

有关针织物品延展性和弹性的例子在生活中比比皆是，但就是这样一个随处可见的现象，背后的物理和力学特性却至今都没有得到很好的解释。

为了做研究，他们学会了织毛衣

在法国一个天朗气清的日子里，来自巴黎高等师范学院（École Normale Supérieure）的 Frédérick Lechenault，看到妻子正在为他们即将出世的孩子织毛衣，惊讶于她只用两根棒针和一条长长的毛线，就能织出这么多种花纹精美的立体织物。

他那时正在研究折纸艺术，二维的纸张通过折叠制造出来的结构，其中因素纷繁复杂；只用一根相当于一维的毛线织出的结构，研究起来应该更简单些吧？于是他就将研究针织物结构的课题，交给了他的博士生 Samuel Poincloux。

Poincloux 说：“当我与工业领域工作的人们讨论这个问题时，他们说，他们到目前为止都没有一个很好的自下而上的基础设计模型做参考。”

为了寻找可行的织物模型，Poincloux 还专门去拜访了一个针织作坊，作坊位于他实验室所在街道对面的艺术学院，Poincloux 也在那里学会了一些针织技能。最终，他们利用最简单的平针（stockinette）织法，织成了 51 × 51 针的尼龙织物，作为他们的研究对象。

他们将织物上下边缘的针脚固定，在保证针脚不会脱线的基础上，纵向拉伸织物直至到达织物最大拉伸长度，并在那时撤掉拉力，使织物恢复原来的形状：通过多次重复这样的拉伸过程，来检测织物的力学响应。

与理论模拟计算对比后，Poincloux 发现：织物的拉伸性能主要来源于针织后形成的环形回路。

如何科学的评估一件织物的性能

这种回路是纱线织出的一排针脚与其相邻的上下两行针脚间构成的。当织物受到拉力时，针脚间形成的环形回路可以通过变形被拉伸，拉伸的能量则与纱线的弯曲程度相关。针脚间线圈回路被拉伸的程度，取决于纱线与相邻针脚间穿插的次数和织物中纱线的总长度。分析结果最终显示，纱线的弯曲程度、线圈的交叉次数和纱线的总长度这三个参数，即能评价一件织物的性能。

尼龙针织物在固定上下两端后拉伸和放松力学测试：右边的曲线代表拉力和材料应变的关系（负应变代表压缩）

织物中不同位置的针脚对力的响应：红点代表织物受到拉力时针脚的位移，蓝点代表回缩

图片来源：论文

以往针织材料的模型中，都会假设材料是均匀拉伸变形的，而忽略了织物内部每个针脚的位置变化。Poincloux 等人的提出的模型中，他们将织物内部的每个针脚，以及它们相互串联的方式都考虑了进去。

“我们提出的模型如此简单，只要知道它背后的原理，就能轻而易举的设计和开发出你想要的材料形状和性能。” Poincloux 指出，“现在工业上最常用方法是反复试验试错，直到试出满意的材料为止。而我们现在得到的这几个参数，能给材料设计者提供足够有效的理论基础，更加有效地设计和制造新的材料。”

尽管来研究织物对力的响应时，他们只用了最简单的平针织物作为模型，这项结果依旧对研究其他针织花纹的材料提供了重要的理论框架。

Poincloux 表示：“我们最近也研究了织物中相互串套的针脚间的摩擦力对织物产生的影响，摩擦力的引入则会对织物的力学响应产生‘雪崩效应’。”他们关于这项研究的文章也已被国际著名物理期刊 Physical Review Letters 接收。

论文连接：

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.8.021075

参考资料：

https://www.camcard.com/info/l5a43c663f149bc416b89fbf9

https://physicsworld.com/a/new-knit-theory-could-help-make-smart-self-folding-materials/