新纖維可測水流量

研究人員展示其研制的可發出和檢測聲波的纖維

　　數百年來，“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絡中攜帶數據的玻璃細絲。但是，對于麻省理工學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具有更先進性能的纖維，以使纖維織物能與其周圍環境產生互動。

　　在最近一期的《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：一種可檢測并產生聲音的纖維。這種纖維的應用包括：可制成用作麥克風的衣服，能捕捉語音或監測身體機能;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

　　普通的光學纖維是用“預制品”制成的，預制品是一種可加熱、抽絲并冷卻的大圓柱形單一材料。與之相比，芬克實驗室開發出的纖維，則是將幾種不同的材料進行精心的幾何學安排，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，即氟原子和氫原子各據一邊，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用其上時，其就會改變形狀。

　　在傳統的壓電麥克風中，電場由金屬電極產生。但是，在一個纖維麥克風中，拉伸工藝會導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電塑料。導電塑料在加熱時會產生一種稠密的液體，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，更為最關鍵的，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(比雷暴中引發閃電的電場還要強20倍)應用其上。因為纖維中任何地方都非常狹窄，由此就會產生一個可摧毀周圍物質的微小的閃電球。

　　發聲纖維用途廣泛

　　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性能。由于水比空氣能更好地傳導聲音，他們將纖維放在標準聲能轉換器對面的一個水箱中，該聲能轉換器可交替發出纖維能檢測到的聲波，同時也可檢測由纖維發出的聲波。

　　研究人員希望最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特性，從而使纖維織物可進行光學通信。除了可穿戴式麥克風和生物傳感器，該纖維的應用還包括可監測海洋中水流量的網以及高分辨率的大面積成像系統，利用這種聲學纖維織成的織物相當于數百萬個微小的聲學傳感器。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化為運動。