美研制出可发出和检测声波的纤维

2010-7-21 00:00 来源: 科技日报
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研究人员展示其研制的可发出和检测声波的纤维

  数百年来,“人造纤维”指的就是衣服和绳子的原材料,到了信息时代,纤维的意义则变成了通信网络中携带数据的玻璃细丝。但是,对于麻省理工学院电子研究实验室副教授尤尔·芬克来说,纺织品或光纤中所使用的这些纤维则过于被动。在过去的十年中,他的实验室一直致力于开发具有更先进性能的纤维,以使纤维织物能与其周围环境产生互动。

  在最近一期的《自然·材料》杂志上,芬克及其合作者宣布了一种具有里程碑意义的新型功能纤维:一种可检测并产生声音的纤维。这种纤维的应用包括:可制成用作麦克风的衣服,能捕捉语音或监测身体机能;或是制成一种可测量毛细血管中血液流量或脑部压力的细微单丝。

  新纤维的核心是含不对称分子的塑料

  普通的光学纤维是用“预制品”制成的,预制品是一种可加热、抽丝并冷却的大圆柱形单一材料。与之相比,芬克实验室开发出的纤维,则是将几种不同的材料进行精心的几何学安排,使其得以在加热和拉伸工艺中能保持完好无损。

  新型声学纤维的核心是一种在麦克风中普遍使用的塑料。这种塑料中的氟含量使研究人员能确保其分子处于不平衡状态,即氟原子和氢原子各据一边,即使在加热和拉伸过程中亦是如此。这种分子的不对称使塑料具有了“压电性”,这意味着一个电场应用其上时,其就会改变形状。

  在传统的压电麦克风中,电场由金属电极产生。但是,在一个纤维麦克风中,拉伸工艺会导致金属电极失去它们的形状。因此,研究人员代之以含有石墨的导电塑料。导电塑料在加热时会产生一种稠密的液体,从而保持比金属电极更高的黏度。这不仅阻止了材料的混合,更为最关键的,它也使纤维具有一个正常的厚度。

  纤维被拉伸后,研究人员需要将所有压电分子排列在同一方向上。此时,就需要一个强大的电场(比雷暴中引发闪电的电场还要强20倍)应用其上。因为纤维中任何地方都非常狭窄,由此就会产生一个可摧毁周围物质的微小的闪电球。

  发声纤维用途广泛

  尽管制造过程需要这种微妙的平衡,研究人员还是能够在实验室中制作出这种功能纤维。如果将它们连接到一个电源,并施加一个正弦电流(周期非常稳定的交流电),这些纤维就会振动。如果使其在音频频率上振动,并将其靠近耳朵,就可以听到其发出的不同音符或声音。在《自然·材料》的论文中,研究人员更为严格地测量了纤维的声学性能。由于水比空气能更好地传导声音,他们将纤维放在标准声能转换器对面的一个水箱中,该声能转换器可交替发出纤维能检测到的声波,同时也可检测由纤维发出的声波。

  研究人员希望最终能将这些实验纤维的性能综合在一根单一纤维中。例如,强烈振动可改变反射光纤的光学特性,从而使纤维织物可进行光学通信。除了可穿戴式麦克风和生物传感器,该纤维的应用还包括可监测海洋中水流量的网以及高分辨率的大面积声呐成像系统,利用这种声学纤维织成的织物相当于数百万个微小的声学传感器。研究人员表示,利用同样的机制,压电元件反过来也可将电力转化为运动。