美國研制出可發(fā)出和檢測聲波的纖維

數(shù)百年來，“人造纖維”指的就是衣服和繩子的原材料，到了信息時代，纖維的意義則變成了通信網(wǎng)絡(luò)中攜帶數(shù)據(jù)的玻璃細絲。但是，對于麻省理工學(xué)院電子研究實驗室副教授尤爾·芬克來說，紡織品或光纖中所使用的這些纖維則過于被動。在過去的十年中，他的實驗室一直致力于開發(fā)具有更先進性能的纖維，以使纖維織物能與其周圍環(huán)境產(chǎn)生互動。

　　在近一期的《自然·材料》雜志上，芬克及其合作者宣布了一種具有里程碑意義的新型功能纖維：一種可檢測并產(chǎn)生聲音的纖維。這種纖維的應(yīng)用包括：可制成用作麥克風的衣服，能捕捉語音或監(jiān)測身體機能；或是制成一種可測量毛細血管中血液流量或腦部壓力的細微單絲。

　　新纖維的核心是含不對稱分子的塑料

　　普通的光學(xué)纖維是用“預(yù)制品”制成的，預(yù)制品是一種可加熱、抽絲并冷卻的大圓柱形單一材料。與之相比，芬克實驗室開發(fā)出的纖維，則是將幾種不同的材料進行精心的幾何學(xué)安排，使其得以在加熱和拉伸工藝中能保持完好無損。

　　新型聲學(xué)纖維的核心是一種在麥克風中普遍使用的塑料。這種塑料中的氟含量使研究人員能確保其分子處于不平衡狀態(tài)，即氟原子和氫原子各據(jù)一邊，即使在加熱和拉伸過程中亦是如此。這種分子的不對稱使塑料具有了“壓電性”，這意味著一個電場應(yīng)用其上時，其就會改變形狀。

　　在傳統(tǒng)的壓電麥克風中，電場由金屬電極產(chǎn)生。但是，在一個纖維麥克風中，拉伸工藝會導(dǎo)致金屬電極失去它們的形狀。因此，研究人員代之以含有石墨的導(dǎo)電塑料。導(dǎo)電塑料在加熱時會產(chǎn)生一種稠密的液體，從而保持比金屬電極更高的黏度。這不僅阻止了材料的混合，更為關(guān)鍵的，它也使纖維具有一個正常的厚度。

　　纖維被拉伸后，研究人員需要將所有壓電分子排列在同一方向上。此時，就需要一個強大的電場（比雷暴中引發(fā)閃電的電場還要強20倍）應(yīng)用其上。因為纖維中任何地方都非常狹窄，由此就會產(chǎn)生一個可摧毀周圍物質(zhì)的微小的閃電球。

　　發(fā)聲纖維用途廣泛

　　盡管制造過程需要這種微妙的平衡，研究人員還是能夠在實驗室中制作出這種功能纖維。如果將它們連接到一個電源，并施加一個正弦電流（周期非常穩(wěn)定的交流電），這些纖維就會振動。如果使其在音頻頻率上振動，并將其靠近耳朵，就可以聽到其發(fā)出的不同音符或聲音。在《自然·材料》的論文中，研究人員更為嚴格地測量了纖維的聲學(xué)性能。由于水比空氣能更好地傳導(dǎo)聲音，他們將纖維放在標準聲能轉(zhuǎn)換器對面的一個水箱中，該聲能轉(zhuǎn)換器可交替發(fā)出纖維能檢測到的聲波，同時也可檢測由纖維發(fā)出的聲波。

　　研究人員希望終能將這些實驗纖維的性能綜合在一根單一纖維中。例如，強烈振動可改變反射光纖的光學(xué)特性，從而使纖維織物可進行光學(xué)通信。除了可穿戴式麥克風和生物傳感器，該纖維的應(yīng)用還包括可監(jiān)測海洋中水流量的網(wǎng)以及高分辨率的大面積聲吶成像系統(tǒng)，利用這種聲學(xué)纖維織成的織物相當于數(shù)百萬個微小的聲學(xué)傳感器。研究人員表示，利用同樣的機制，壓電元件反過來也可將電力轉(zhuǎn)化為運動。