Julia Kornfield研發(fā)出一種是可于飛機(jī)燃料的聚合物添加劑，這種聚合物分子每個(gè)末端都覆有能像尼龍搭扣一樣可以粘結(jié)的單元，形成“巨型超分子”，能夠有效減小燃料爆炸時(shí)的破壞力度，提高飛機(jī)安全性能。

 

    圖片顯示的是經(jīng)兩種處理后的飛機(jī)燃料在撞擊霧化后的引燃火焰擴(kuò)展(顏色刻度顯示的是火焰隨時(shí)間的擴(kuò)展)。上圖是添加了傳統(tǒng)的超長聚合物，下圖為添加了 Caltech 研發(fā)的新型聚合物，所有樣品都事先通過燃料泵50次。超長聚合物失去了效用，導(dǎo)致產(chǎn)生大團(tuán)高熱火球。而Caltech聚合物仍然能夠減輕撞擊后的火焰擴(kuò)展的程度。Caltech聚合物鏈沒有破碎，而是在通過泵時(shí)彼此脫離，通過后再次組裝成巨型超分子。

 

    開始一場洲際旅行前，噴氣式飛機(jī)裝滿了成千上萬加侖的燃料。在碰撞事故中，如此大量的燃料使得爆炸產(chǎn)生極為嚴(yán)重的破壞。Caltech和JPL的研究人員發(fā) 明了一種聚合物作為燃料添加劑，可以降低在事故和恐怖襲擊中爆炸產(chǎn)生的影響強(qiáng)度。同時(shí)初步研究表明，這種添加劑在帶來這些好處時(shí)并不會對燃料性能造成不良影響。

 

    飛機(jī)引擎將空氣壓縮并與燃料噴霧混合。電火花點(diǎn)燃空氣與燃料的混合物后引發(fā)可控爆炸從而推動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)。噴氣式飛機(jī)由上千個(gè)這樣的微型爆炸提供推動(dòng)力。然而，霧化過程(將燃料分散成噴霧以利于點(diǎn)燃的過程)也導(dǎo)致在撞擊事故中燃料快速分散而極易被引燃。

 

    Julia Kornfield研發(fā)出的這種添加劑是一種聚合物(由許多重復(fù)單元組成的長鏈分子，又稱高分子材料)，其每個(gè)末端都覆有能像尼龍搭扣一樣可以粘結(jié)的單元。單個(gè)聚合物分子(長鏈分子)自發(fā)地連接形成的超長鏈被稱作“巨型超分子”。

 

    巨型超分子具有前所未有的綜合性能，這使得它可以控制燃料的霧化過程，提高燃料在管道中的流動(dòng)性，并且降低煙炱的形成。巨型超分子可以抑制撞擊事故中燃料的霧化同時(shí)允許燃料注射進(jìn)引擎時(shí)的霧化。

 

    其它聚合物也表現(xiàn)出這些優(yōu)點(diǎn)，但是它們均具有缺陷從而降低了有效性。例如超長聚合物在經(jīng)過泵、管道和過濾器時(shí)會發(fā)生不可逆的破碎，因此喪失了其有用的性能。但是巨型超分子不會發(fā)生這種情況。雖然超分子在經(jīng)過泵的時(shí)候也會分裂變小，這一過程是可逆的。單個(gè)分子鏈末端的類尼龍扣單元在相遇時(shí)即可重新連接，巨型超分子產(chǎn)生有效恢復(fù)。

 

    當(dāng)添加到燃料中的聚合物濃度很低時(shí)，巨型超分子可以在不影響液體的其它性能情況下極大地改變?nèi)剂系牧鲃?dòng)性。例如添加劑不會改變?nèi)剂系膬?nèi)能、表面張力和密度。此外，使用含添加劑燃料的引擎的功率和效率并沒有改變，至少目前柴油引擎已經(jīng)過測試證明了這一點(diǎn)。

 

    在撞擊發(fā)生時(shí)，超分子突然活躍起來，卷曲形成緊湊構(gòu)象。當(dāng)液體突然拉伸時(shí)，聚合物分子鏈伸展開同時(shí)抵抗進(jìn)一步的拉伸。聚合物的伸展使得撞擊情況下液滴的破碎得到抑制，由此降低爆炸范圍同時(shí)減少管道內(nèi)的湍流。

 

    研究者M(jìn)ing-Hsin "Jeremy" Wei表示：“巨型超分子的想法來自于超長聚合物”，“在20世紀(jì)70年代末到20世紀(jì)80年代初，研究聚合物的科學(xué)家熱衷于將超長聚合物添加進(jìn)燃料中以降低飛機(jī)爆炸的破壞程度”。1984年的飛機(jī)完全碰撞試驗(yàn)檢驗(yàn)了這一觀點(diǎn)，然而在檢驗(yàn)中飛機(jī)迅速被火球吞沒，這種負(fù)面新聞使得超長聚合物很快無人問津。

 

    2002 年，JPL的Virendra Sarohia博士認(rèn)為應(yīng)該恢復(fù)控制霧化的實(shí)驗(yàn)以防像9-11那樣的襲擊事故發(fā)生。他找到Kornfield并說服他設(shè)計(jì)一種新型聚合物來控制飛機(jī)引擎的霧化。2006年 Ameri David關(guān)于巨型超分子的理論預(yù)測使得實(shí)驗(yàn)取得第一次突破，接著她實(shí)驗(yàn)室里的研究生David設(shè)計(jì)出單分子鏈，它小到足以消除之前的問題，同時(shí)能在很低濃度下組裝在一起形成巨型超分子。他認(rèn)為這些組裝物具有超長聚合物的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有無損通過管道和過濾器的新性能。

 

    2007年Wei加入課題組，他開始研制這種理論分子。制備出具有理想長度的聚合物鏈并使其兩端帶有足夠強(qiáng)的“分子搭扣”是一個(gè)挑戰(zhàn)。在Robert Grubbs研發(fā)出的催化劑幫助下，Wei發(fā)現(xiàn)了精確控制分子搭扣的結(jié)構(gòu)并將其置于聚合物鏈的合適位置上的方法。

 

    科研與工程的融合是成功的關(guān)鍵。JPL的化工學(xué)家Simon Jones幫助Wei發(fā)展出利用搭扣端基制備更長分子鏈的實(shí)用方法。 Caltech的研究生 Boyu Li 幫助Wei探究這些新型聚合物激發(fā)行為下的物理學(xué)機(jī)理。TARDEC的科學(xué)家 Joel Schmitigal實(shí)行了必要的測試使得這種聚合物被批準(zhǔn)作為新型燃料添加劑。

 

    “如果未來想要在上千加侖的飛機(jī)燃料、柴油或汽油中添加這種添加劑，就需找到大量生產(chǎn)這種聚合物的方法”，Wei說，“因此我的目標(biāo)是發(fā)展出能夠連續(xù)生產(chǎn)這種聚合物的反應(yīng)器，我計(jì)劃在一年內(nèi)實(shí)行這一目標(biāo)。”

 

    Kornfield 說：“最重要的是，我們希望這種新型聚合物能夠拯救生命，使燃料火災(zāi)帶來的傷亡最小化。”

 

    該研究成果已經(jīng)發(fā)表在 Science 上。