麻省理工学院化学工程教授格雷戈里•拉特利奇和博士后研究生杰伊•帕克在一篇论文中详述了这种称为凝胶静电纺丝的新工艺。该论文在网络上发布，并将在今年2月份的《材料科学》期刊中发表。
在材料科学中，拉特利奇解释说，“存在很多需要权衡、妥协的地方”。通常情况下，提高材料的某一个特性，可能会导致其他不同特性的下降。
“强度和韧性就是这样的一对材料特性：通常当得到高强度时，材料会损失韧性。”“材料变得更脆，吸收能量的机制受到，材料更容易断裂。”
但是在新工艺制造的纤维中，许多这种类似的妥协被消除了。
拉特利奇表示，同时获得高强度和高韧性，对材料来说一件具有重要意义的大事。
这项大事就是采用这种新型工艺实现的。该工艺改变了传统的凝胶纺丝方法，增加了电力的作用。其结果就是形成了聚乙烯超细纤维，其性能达到、甚至超过一些我们所认知的最强的纤维材料，如凯夫拉纤维和大力马纤维等用于生产防弹衣的材料。
拉特利奇说：“在开始这项研究时，我们最初的任务就是制造不同尺寸范围的纤维，即直径小于1微米的纤维。因为这些纤维本身具有各种有趣的特征。我们已经针对这种超细纤维，有时也被称为纳米纤维，进行了多年的研究。但是在所谓的高性能纤维领域内，并没有任何建树。”
高性能纤维，包括芳香族聚酰胺（如凯夫拉纤维）和采用凝胶纺丝法制造的高分子量聚乙烯（如大力马纤维和Spectra纤维），也在极限特种功能绳索和一些高性能复合材料中用作增强纤维。
拉特利奇表示：“多年来，在这一领域中，已经很久没有发生过重大创新，因为现有的高性能纤维表现非常优秀。”但他同时表示，这种采用新工艺制造的新材料，其性能超过了其他所有材料。“真正将新材料与传统高性能纤维去呗开来性能指标，是我们所说的比模量和比强度，这意味着材料在单位重量的模量和强度上，新型材料的表现都远超同类。”
模量是指纤维的坚硬程度，或指纤维可以抵抗拉伸的程度。
与在复合材料中广泛使用的碳纤维和陶瓷纤维相比，采用凝胶静电纺丝的新型聚乙烯纤维具有相似的强度，但是韧性更强且密度更低。这意味着，在同等重量下，新型材料的性能将大大优于传统材料。
在创造这种超细材料时，研究团队的目标只是为了使得新材料与现有的微米级纤维的性能相当，如果做到这一点，拉特利奇表示“对我们来说已经是一个不错的成就。”。不过事实上，新材料在很大程度上变得更好。虽然经过测试，新材料的模量不如现有的最好的纤维，但差距非常接近——这足以证明新材料“极具竞争力”。
他补充说，最重要的是，“这种材料的强度比现有市场中材料强一倍，并且可以与目前最先进的、尚且处于学术研究阶段的材料相媲美。而且其韧性要比其他同类材料强一个数量级。
研究人员仍然在研究，到底是什么原因使得这种材料展现出了令人印象深刻的性能。“随着纤维尺寸的缩小，我们并没有期待它能有如此出色的性能表现，这对我们来说就像是收到了一份大礼。”拉特利奇说。
他解释说：“大多数塑料都很硬，但是它们的强度和刚度不如我们所得到的新材料。”玻璃纤维刚度优异但强度不高，而钢丝强度很高但刚度不足。新型凝胶电纺纤维则结合了强度，刚度和韧性等理想品质。
使用凝胶静电纺丝工艺“与我们所采用的材料方面的常用方法——凝胶纺丝工艺——本质上非常相似，但是引入了电力的作用”，拉特利奇表示，研究团队使用的是单级工艺，而不是传统工艺中的多级工艺，“我们正在获得具有更高拉伸度的纤维”，它们的直径仅有几百纳米，而不是传统纤维的15微米。研究人员在新工艺中借鉴了凝胶纺丝纤维，使用聚合物凝胶作为起始材料，但使用电力而不是机械牵引将纤维拉出；带有静电的纤维诱发产生一种类似“鞭子分叉”的不稳定过程，即可形成超细尺寸纤维。事实证明，这种尺寸的纤维具有独特性质。
研究结果可能会导致新型防护材料跟现有的相比强度相当，但体量更小，更加实用。而且，拉特利奇补充道，“他们可能还可以在我们还没有想到的一些领域进行应用，因为我们已经知道新材料具有杰出的韧性。”
这项研究目前由美国陆军通过纳蒂克士兵研究发展与工程中心、士兵纳米技术研究所和国家科学基金会材料科学与工程中心进行资助支持。
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