為了做研究，這群物理學家學會了織毛衣

知識 07-31

撰文向菲菲

編輯徐文慧

每個人的衣櫥里想必都至少有一件針織衣物。針織品不僅因柔軟、富有彈性的觸感帶來穿著的舒適，它極好的彈性和延展性也在生物醫學、工程技術和仿生學等領域有著廣泛的應用。這項擁有上千年歷史的技術，到底是如何賦予織物彈性和延展性的呢？目前為止都沒有一項成熟的理論對此做出解釋。近日，來自法國的科研人員終於揭開了這項古老又神秘技術的面紗，他們設計了一個簡單的理論模型，成功回答了影響和衡量織物彈性和延展性的因素，其結果於 6 月 22 日發表在影響因子高達 14 的Physical Review X上。

針織是一種工藝過程，將紗線構成線圈，再通過一定的規則相互串套線圈，連接成二維或三維結構。而編織則是將條狀材料重複交疊，形成平面或立體的結構。

針織和編織：左圖為針織，右圖為編織

圖片來源：theknittinggarden.org

這兩種工藝雖然有著相似的名字，對原材料的物理性質改變卻各有不同：經過編織的面料，原材料本身的彈性可能在密織結構下降低；針織卻能賦予面料極大的彈性和延展性。我們秋冬常戴的針織圍巾，施加很小的力就能使其產生顯著的形變，並且這種形變是相對可逆的；若用相同的力拉伸織這條圍巾所用的毛線，則只能使毛線產生很微小的形變。

有關針織物品延展性和彈性的例子在生活中比比皆是，但就是這樣一個隨處可見的現象，背後的物理和力學特性卻至今都沒有得到很好的解釋。

為了做研究，他們學會了織毛衣

在法國一個天朗氣清的日子裡，來自巴黎高等師範學院（école Normale Supérieure）的 Frédérick Lechenault，看到妻子正在為他們即將出世的孩子織毛衣，驚訝於她只用兩根棒針和一條長長的毛線，就能織出這麼多種花紋精美的立體織物。

他那時正在研究摺紙藝術，二維的紙張通過摺疊製造出來的結構，其中因素紛繁複雜；只用一根相當於一維的毛線織出的結構，研究起來應該更簡單些吧？於是他就將研究針織物結構的課題，交給了他的博士生 Samuel Poincloux。

Poincloux 說：「當我與工業領域工作的人們討論這個問題時，他們說，他們到目前為止都沒有一個很好的自下而上的基礎設計模型做參考。」

為了尋找可行的織物模型，Poincloux 還專門去拜訪了一個針織作坊，作坊位於他實驗室所在街道對面的藝術學院，Poincloux 也在那裡學會了一些針織技能。最終，他們利用最簡單的平針（stockinette）織法，織成了 51 × 51 針的尼龍織物，作為他們的研究對象。

他們將織物上下邊緣的針腳固定，在保證針腳不會脫線的基礎上，縱向拉伸織物直至到達織物最大拉伸長度，並在那時撤掉拉力，使織物恢復原來的形狀：通過多次重複這樣的拉伸過程，來檢測織物的力學響應。

與理論模擬計算對比後，Poincloux 發現：織物的拉伸性能主要來源於針織後形成的環形迴路。

如何科學的評估一件織物的性能

這種迴路是紗線織出的一排針腳與其相鄰的上下兩行針腳間構成的。當織物受到拉力時，針腳間形成的環形迴路可以通過變形被拉伸，拉伸的能量則與紗線的彎曲程度相關。針腳間線圈迴路被拉伸的程度，取決於紗線與相鄰針腳間穿插的次數和織物中紗線的總長度。分析結果最終顯示，紗線的彎曲程度、線圈的交叉次數和紗線的總長度這三個參數，即能評價一件織物的性能。