Fibre, der kan høre og synge

I århundreder, "kunstfibre" betød de rå ting af tøj og reb; i informationsalderen, det er kommet til at betyde glødetrådene af glas, der bærer data i kommunikationsnetværk. Men til Yoel Fink, en lektor i materialevidenskab og hovedforsker ved MIT's Research Lab of Electronics, de tråde, der bruges i tekstiler og endda optiske fibre, er alt for passive. I det sidste årti, hans laboratorium har arbejdet på at udvikle fibre med stadig mere sofistikerede egenskaber, for at aktivere stoffer, der kan interagere med deres omgivelser.

I augustudgaven af ​​Nature Materials, Fink og hans samarbejdspartnere annoncerer en ny milepæl på vejen til funktionelle fibre:fibre, der kan registrere og producere lyd. Applikationer kan omfatte tøj, der i sig selv er følsomme mikrofoner, til optagelse af tale eller overvågning af kropsfunktioner, og små filamenter, der kunne måle blodgennemstrømning i kapillærer eller tryk i hjernen. Papiret, hvis forfattere også inkluderer Shunji Egusa, en tidligere postdoc i Finks laboratorium, og nuværende laboratoriemedlemmer Noémie Chocat og Zheng Wang, dukkede op på Naturmaterialer ' hjemmeside den 11. juli, og det arbejde, det beskriver, blev støttet af MIT's Institute for Soldier Nanotechnologies, National Science Foundation og US Defence Department's Defense Advanced Research Projects Agency.

Almindelige optiske fibre er lavet af en "præform, "en stor cylinder af et enkelt materiale, der varmes op, trukket ud, og derefter afkølet. Fibrene udviklet i Finks laboratorium, derimod få deres funktionalitet fra det omfattende geometriske arrangement af flere forskellige materialer, som skal overleve opvarmnings- og trækningsprocessen intakt.

De rigtige ting

Hjertet i de nye akustiske fibre er en plastik, der almindeligvis bruges i mikrofoner. Ved at lege med plastens fluorindhold, forskerne var i stand til at sikre, at dets molekyler forbliver skæve - med fluoratomer opstillet på den ene side og brintatomer på den anden - selv under opvarmning og tegning. Molekylernes asymmetri er det, der gør plastikken "piezoelektrisk, " hvilket betyder, at det ændrer form, når et elektrisk felt påføres det.

I en konventionel piezoelektrisk mikrofon, det elektriske felt genereres af metalelektroder. Men i en fibermikrofon, tegneprocessen ville få metalelektroder til at miste deres form. Så forskerne brugte i stedet en ledende plastik, der indeholder grafit, materialet fundet i blyantbly. Ved opvarmning, den ledende plast bevarer en højere viskositet - det giver en tykkere væske - end et metal ville.

Dette forhindrede ikke kun blanding af materialer, men, afgørende, det gjorde også til fibre med en regelmæssig tykkelse. Efter at fiberen er blevet trukket, forskerne skal justere alle de piezoelektriske molekyler i samme retning. Det kræver anvendelse af et kraftigt elektrisk felt - 20 gange så kraftigt som de felter, der forårsager lyn under et tordenvejr. Hvor fiberen er for smal, marken ville generere et lille lyn, som kan ødelægge materialet omkring det.

Lydresultater

På trods af den delikate balance, der kræves af fremstillingsprocessen, forskerne var i stand til at bygge fungerende fibre i laboratoriet. "Du kan faktisk høre dem, disse fibre, " siger Chocat, en kandidatstuderende i den materialevidenskabelige afdeling. "Hvis du sluttede dem til en strømforsyning og anvendte en sinusformet strøm" - en vekselstrøm, hvis periode er meget regelmæssig - "så ville den vibrere. Og hvis du får den til at vibrere ved hørbare frekvenser og sætter den tæt på dit øre, du kunne faktisk høre forskellige toner eller lyde komme ud af det." For deres Nature Materials papir, imidlertid, forskerne målte fiberens akustiske egenskaber mere stringent. Da vand leder lyd bedre end luft, de placerede den i en vandtank overfor en standard akustisk transducer, en enhed, der skiftevis kunne udsende lydbølger detekteret af fiberen og detektere lydbølger udsendt af fiberen.

Ud over bærbare mikrofoner og biologiske sensorer, anvendelser af fibrene kunne omfatte løse net, der overvåger vandstrømmen i havet og store sonarbilledsystemer med meget højere opløsninger:Et stof vævet af akustiske fibre ville give det svarende til millioner af små akustiske sensorer.

Zheng, en forsker i Finks laboratorium, påpeger også, at den samme mekanisme, der gør det muligt for piezoelektriske enheder at omsætte elektricitet til bevægelse, kan arbejde omvendt. "Forestil dig en tråd, der kan generere elektricitet, når den strækkes, " han siger.

Ultimativt, imidlertid, forskerne håber at kunne kombinere egenskaberne af deres eksperimentelle fibre i en enkelt fiber. Stærke vibrationer, for eksempel, kunne variere de optiske egenskaber af en reflekterende fiber, gør det muligt for tekstiler at kommunikere optisk.

Max Shtein, en assisterende professor ved University of Michigans afdeling for materialevidenskab, påpeger, at andre laboratorier har bygget piezoelektriske fibre ved først at tegne en streng af et enkelt materiale og derefter tilføje andre materialer til det, på samme måde som producenter i øjeblikket vikler isoleringsplast omkring kobbertråd. "Yoel har fordelen af ​​at være i stand til at ekstrudere kilometer af disse ting på én gang, " siger Shtein. "Det er en meget skalerbar teknik." Men til applikationer, der kræver relativt korte fibertråde, såsom sensorer indsat i kapillærer, Shtein siger, "Skalerbarhed er ikke så relevant."

Men uanset om Fink-laboratoriets teknik beviser, i alle tilfælde, den mest praktiske måde at fremstille akustiske fibre på, "Jeg er imponeret over kompleksiteten af ​​de strukturer, de kan lave, " siger Shtein. "De er utrolig virtuose til den teknik."