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

 

    圖片顯示的是經(jīng)兩種處理后的飛機燃料在撞擊霧化后的引燃火焰擴展(顏色刻度顯示的是火焰隨時間的擴展)。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，導致產(chǎn)生大團高熱火球。而Caltech聚合物仍然能夠減輕撞擊后的火焰擴展的程度。Caltech聚合物鏈沒有破碎，而是在通過泵時彼此脫離，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)生的影響強度。同時初步研究表明，這種添加劑在帶來這些好處時并不會對燃料性能造成不良影響。

 

    飛機引擎將空氣壓縮并與燃料噴霧混合。電火花點燃空氣與燃料的混合物后引發(fā)可控爆炸從而推動飛機前進。噴氣式飛機由上千個這樣的微型爆炸提供推動力。然而，霧化過程(將燃料分散成噴霧以利于點燃的過程)也導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(由許多重復單元組成的長鏈分子，又稱高分子材料)，其每個末端都覆有能像尼龍搭扣一樣可以粘結的單元。單個聚合物分子(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允許燃料注射進引擎時的霧化。

 

    其它聚合物也表現(xiàn)出這些優(yōu)點，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)過泵的時候也會分裂變小，這一過程是可逆的。單個分子鏈末端的類尼龍扣單元在相遇時即可重新連接，巨型超分子產(chǎn)生有效恢復。

 

    當添加到燃料中的聚合物濃度很低時，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燃料的流動性。例如添加劑不會改變燃料的內能、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。

 

    在撞擊發(fā)生時，超分子突然活躍起來，卷曲形成緊湊構象。當液體突然拉伸時，聚合物分子鏈伸展開同時抵抗進一步的拉伸。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減少管道內的湍流。

 

    研究者Ming-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70年代末到20世紀80年代初，研究聚合物的科學家熱衷于將超長聚合物添加進燃料中以降低飛機爆炸的破壞程度”。1984年的飛機完全碰撞試驗檢驗了這一觀點，然而在檢驗中飛機迅速被火球吞沒，這種負面新聞使得超長聚合物很快無人問津。

 

    2002 年，JPL的Virendra Sarohia博士認為應該恢復控制霧化的實驗以防像9-11那樣的襲擊事故發(fā)生。他找到Kornfield并說服他設計一種新型聚合物來控制飛機引擎的霧化。2006年 Ameri David關于巨型超分子的理論預測使得實驗取得第一次突破，接著她實驗室里的研究生David設計出單分子鏈，它小到足以消除之前的問題，同時能在很低濃度下組裝在一起形成巨型超分子。他認為這些組裝物具有超長聚合物的優(yōu)點，同時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的“分子搭扣”是一個挑戰(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構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鍵。JPL的化工學家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)行為下的物理學機理。TARDEC的科學家 Joel Schmitigal實行了必要的測試使得這種聚合物被批準作為新型燃料添加劑。

 

    “如果未來想要在上千加侖的飛機燃料、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，“因此我的目標是發(fā)展出能夠連續(xù)生產(chǎn)這種聚合物的反應器，我計劃在一年內實行這一目標。”

 

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

 

    該研究成果已經(jīng)發(fā)表在 Science 上。