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《自然—材料学》:新型纤维可发出和检测声波

作者:护理专业
出处:www.lunrr.com
时间:2019-11-11
作者:冯卫东资料来源:科技日报出版:2010年

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《自然—材料学》:新纤维可以发射和探测声波

新纤维的核心是含有不对称分子的塑料

研究人员展示了他们开发的能够发射和探测声波的纤维。

数百年来,“人造纤维”是指衣服和绳子的原材料。在信息时代,光纤的意义已经成为通信网络中承载数据的玻璃丝。然而,这些用于纺织品或光纤的纤维对麻省理工学院电子研究实验室副教授尤尔芬克来说过于被动。在过去十年中,他的实验室致力于开发具有更先进性能的纤维,以便纤维织物能够与周围环境相互作用。

在最新一期的《自然材料》杂志上,芬克和他的合作者宣布了一种具有里程碑意义的新型功能纤维:一种能够探测和产生声音的纤维。这种纤维的应用包括:可制成麦克风并能捕捉语音或监控身体功能的服装;或者是能够测量毛细血管血流量或脑压的细单丝。

新纤维的核心是含有不对称分子的塑料

普通光纤由“预制件”制成,预制件是可以加热、纺丝和冷却的大型圆柱形单一材料。相比之下,芬克实验室开发的纤维经过精心的几何排列,使几种不同的材料在加热和拉伸过程中保持完整。

新型声学纤维的核心是麦克风中常用的塑料。这种塑料中的氟含量使研究人员能够确保其分子处于不平衡状态,即氟原子和氢原子分离,即使在加热和拉伸过程中也是如此。这种分子不对称赋予塑料“压电性”,这意味着当电场作用于其上时,它会改变形状。

在传统的压电麦克风中,电场是由金属电极产生的。然而,在纤维麦克风中,拉伸过程会导致金属电极失去形状。因此,研究人员用含有石墨的导电塑料代替了它。导电塑料受热时会产生稠密的液体,因此比金属电极保持更高的粘度。这不仅防止了材料的混合,更重要的是,它还使纤维具有正常的厚度。当

纤维被拉伸时,研究人员需要将所有压电分子排列在同一方向。此时,需要对其施加强电场(比雷暴中引起闪电的电场强20倍)。因为纤维的任何部分都很窄,它会产生一个微小的闪电球,会破坏周围的物质。

语音纤维被广泛使用

虽然制造过程需要这种微妙的平衡,但研究人员能够在实验室生产这种功能性纤维。如果它们连接到电源上,并施加正弦电流(周期非常稳定的交流电),这些纤维将振动。如果它以音频振动并靠近耳朵,可以听到不同的音符或声音。在《自然—材料学》论文中,研究人员更严格地测量了纤维的声学特性。因为水比空气传导声音更好,所以它们将纤维放在与标准声换能器相对的水箱中,声换能器可以交替地发出可以被纤维检测到的声波以及由纤维发出的声波。

研究人员希望最终将这些实验纤维的特性整合到一根纤维中。例如,强烈的振动可以改变反射纤维的光学特性,从而使纤维织物能够进行光通信。除了可佩戴麦克风和生物传感器之外,这种光纤的应用还包括一个可以监测海洋中水流的网络和一个高分辨率大面积声纳成像系统。用这种声学纤维编织的织物相当于数百万个微小的声学传感器。研究人员说,使用相同的机制,压电元件可以反过来将电转化为运动。

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《自然—材料学》已发表论文摘要(英文)

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