I århundraden, "konstgjorda fibrer" betydde råvaror av kläder och rep; i informationsåldern, det kommer att betyda glödtrådarna som bär data i kommunikationsnätverk. Men till Yoel Fink, docent i materialvetenskap och huvudutredare vid MIT's Research Lab of Electronics, trådarna som används i textilier och till och med optiska fibrer är alldeles för passiva. Under det senaste decenniet har hans labb har arbetat med att utveckla fibrer med allt mer sofistikerade egenskaper, för att möjliggöra tyger som kan interagera med sin omgivning.

I augustinumret av Nature Materials, Fink och hans medarbetare tillkännager en ny milstolpe på vägen till funktionella fibrer:fibrer som kan upptäcka och producera ljud. Applikationer kan inkludera kläder som i sig är känsliga mikrofoner, för att fånga tal eller övervaka kroppsfunktioner, och små trådar som kan mäta blodflödet i kapillärer eller tryck i hjärnan. Pappret, vars författare också inkluderar Shunji Egusa, en tidigare postdoktor i Finks laboratorium, och nuvarande labmedlemmar Noémie Chocat och Zheng Wang, dök upp på Naturmaterial 'webbplats den 11 juli, och arbetet som beskrivs stöddes av MIT's Institute for Soldier Nanotechnologies, National Science Foundation och U.S. Defence Department's Defense Advanced Research Projects Agency.

Vanliga optiska fibrer är gjorda av en "förform, "en stor cylinder av ett enda material som värms upp, utdragen, och sedan svalnat. Fibrerna som utvecklats i Finks laboratorium, däremot, härleda sin funktionalitet från det genomarbetade geometriska arrangemanget av flera olika material, som måste överleva uppvärmnings- och ritningsprocessen intakt.

Rätta sakerna

Hjärtat i de nya akustiska fibrerna är en plast som vanligtvis används i mikrofoner. Genom att leka med plastens fluorinnehåll, forskarna kunde se till att dess molekyler förblir snedställda - med fluoratomer uppställda på ena sidan och väteatomer på den andra - även under uppvärmning och ritning. Asymmetrin hos molekylerna är det som gör plasten "piezoelektrisk, "vilket betyder att det ändrar form när ett elektriskt fält appliceras på det.

I en konventionell piezoelektrisk mikrofon, det elektriska fältet genereras av metallelektroder. Men i en fibermikrofon, ritprocessen skulle få metallelektroder att förlora sin form. Så forskarna använde istället en ledande plast som innehåller grafit, materialet som finns i blyerts. Vid uppvärmning, den ledande plasten håller en högre viskositet - den ger en tjockare vätska - än en metall skulle.

Detta förhindrade inte bara blandning av material, men, avgörande, Det är också tillverkat för fibrer med en vanlig tjocklek. Efter att fibern har dragits, forskarna behöver justera alla piezoelektriska molekyler i samma riktning. Det kräver applicering av ett kraftfullt elektriskt fält - 20 gånger så kraftfullt som fälten som orsakar blixtnedslag under åskväder. Överallt där fibern är för smal, fältet skulle generera en liten blixt, som kan förstöra materialet runt det.

Ljudresultat

Trots den känsliga balans som tillverkningsprocessen kräver, forskarna kunde bygga fungerande fibrer i labbet. "Du kan faktiskt höra dem, dessa fibrer, säger Chocat, en doktorand vid materialvetenskapsavdelningen. "Om du anslöt dem till en strömförsörjning och applicerade en sinusformad ström" - en växelström vars period är mycket regelbunden - "då skulle den vibrera. Och om du får den att vibrera vid hörbara frekvenser och lägger den nära ditt öra, du kunde faktiskt höra olika toner eller ljud komma ut ur den. "För deras Nature Materials -papper, dock, forskarna mätte fiberns akustiska egenskaper mer noggrant. Eftersom vatten leder bättre än luft, de placerade den i en vattentank mittemot en vanlig akustisk givare, en anordning som växelvis kan avge ljudvågor som detekteras av fibern och detektera ljudvågor som avges av fibern.

Förutom bärbara mikrofoner och biologiska sensorer, fibrernas tillämpningar kan inkludera lösa nät som övervakar vattenflödet i havet och ekolodsystem för stora områden med mycket högre upplösningar:Ett tyg vävt av akustiska fibrer skulle ge motsvarande miljontals små akustiska sensorer.

Zheng, en forskare i Finks laboratorium, påpekar också att samma mekanism som gör att piezoelektriska enheter kan översätta elektricitet till rörelse kan fungera omvänt. "Tänk dig en tråd som kan generera elektricitet när den sträcks, " han säger.

I sista hand, dock, forskarna hoppas kunna kombinera egenskaperna hos deras experimentella fibrer i en enda fiber. Starka vibrationer, till exempel, kan variera de optiska egenskaperna hos en reflekterande fiber, gör att tyger kan kommunicera optiskt.

Max Shtein, en biträdande professor vid University of Michigans materialvetenskapsavdelning, påpekar att andra laboratorier har byggt piezoelektriska fibrer genom att först dra ut en tråd av ett enda material och sedan lägga till andra material till det, ungefär som tillverkare för närvarande sveper isolerande plast runt koppartråd. "Yoel har fördelen av att kunna extrudera kilometer av det här med ett skott, "Shtein säger." Det är en mycket skalbar teknik. "Men för applikationer som kräver relativt korta fibersträngar, sensorer som sätts in i kapillärer, Shtein säger, "Skalbarhet är inte så relevant."

Men huruvida Fink labs teknik bevisar, i samtliga fall, det mest praktiska sättet att göra akustiska fibrer, "Jag är imponerad av komplexiteten i de strukturer de kan göra, "Säger Shtein." De är otroligt virtuosiska på den tekniken. "