Eeuwenlang, "kunstmatige vezels" betekende het ruwe materiaal van kleding en touwen; in het informatietijdperk het gaat om de filamenten van glas die gegevens vervoeren in communicatienetwerken. Maar aan Yoel Fink, een universitair hoofddocent materiaalkunde en hoofdonderzoeker bij MIT's Research Lab of Electronics, de draden die worden gebruikt in textiel en zelfs optische vezels zijn veel te passief. Het afgelopen decennium is zijn lab heeft gewerkt aan de ontwikkeling van vezels met steeds geavanceerdere eigenschappen, om stoffen in te schakelen die kunnen communiceren met hun omgeving.

In het augustusnummer van Nature Materials, Fink en zijn medewerkers kondigen een nieuwe mijlpaal aan op weg naar functionele vezels:vezels die geluid kunnen detecteren en produceren. Toepassingen kunnen kleding zijn die zelf gevoelige microfoons zijn, voor het opnemen van spraak of het bewaken van lichaamsfuncties, en kleine filamenten die de bloedstroom in haarvaten of de druk in de hersenen kunnen meten. De krant, wiens auteurs ook Shunji Egusa zijn, een voormalig postdoc in Finks lab, en huidige laboratoriumleden Noémie Chocat en Zheng Wang, Verscheen op Natuurmaterialen ' website op 11 juli, en het werk dat het beschrijft werd ondersteund door MIT's Institute for Soldier Nanotechnologies, de National Science Foundation en het Defense Advanced Research Projects Agency van het Amerikaanse ministerie van Defensie.

Gewone optische vezels zijn gemaakt van een "voorvorm, " een grote cilinder van een enkel materiaal dat wordt opgewarmd, uitgetekend, en daarna afgekoeld. De vezels ontwikkeld in Fink's lab, daarentegen, ontlenen hun functionaliteit aan de uitgebreide geometrische opstelling van verschillende materialen, die het verhittings- en trekproces intact moet overleven.

Het goede spul

Het hart van de nieuwe akoestische vezels is een plastic dat veel wordt gebruikt in microfoons. Door te spelen met het fluorgehalte van het plastic, de onderzoekers konden ervoor zorgen dat de moleculen scheef blijven - met fluoratomen aan de ene kant en waterstofatomen aan de andere - zelfs tijdens verwarmen en tekenen. De asymmetrie van de moleculen maakt het plastic "piëzo-elektrisch, " wat betekent dat het van vorm verandert wanneer er een elektrisch veld op wordt toegepast.

In een conventionele piëzo-elektrische microfoon, het elektrische veld wordt opgewekt door metalen elektroden. Maar in een glasvezelmicrofoon, door het trekproces zouden metalen elektroden hun vorm verliezen. Dus gebruikten de onderzoekers in plaats daarvan een geleidend plastic dat grafiet bevat, het materiaal gevonden in potlood. Bij verhitting, de geleidende kunststof behoudt een hogere viscositeit - het levert een dikkere vloeistof op - dan een metaal.

Dit verhinderde niet alleen het mengen van materialen, maar, cruciaal, het maakte ook vezels met een regelmatige dikte. Nadat de vezel is getrokken, de onderzoekers moeten alle piëzo-elektrische moleculen in dezelfde richting uitlijnen. Dat vereist de toepassing van een krachtig elektrisch veld - 20 keer zo krachtig als de velden die bliksem veroorzaken tijdens een onweersbui. Overal waar de vezel te smal is, het veld zou een kleine bliksemschicht genereren, die het materiaal eromheen zou kunnen vernietigen.

Geluidsresultaten

Ondanks de delicate balans die het productieproces vereist, in het lab konden de onderzoekers functionerende vezels bouwen. "Je kunt ze echt horen, deze vezels, " zegt Chocat, een afgestudeerde student in de materiaalkunde afdeling. "Als je ze op een voeding zou aansluiten en een sinusvormige stroom zou toepassen" - een wisselstroom waarvan de periode zeer regelmatig is - "dan zou het trillen. En als je het op hoorbare frequenties laat trillen en het dicht bij je oor houdt, je kon er verschillende noten of geluiden uit horen komen." Voor hun Nature Materials-paper, echter, de onderzoekers maten de akoestische eigenschappen van de vezel strenger. Omdat water geluid beter geleidt dan lucht, ze plaatsten het in een watertank tegenover een standaard akoestische transducer, een apparaat dat afwisselend door de vezel gedetecteerde geluidsgolven kan uitzenden en door de vezel uitgezonden geluidsgolven kan detecteren.

Naast draagbare microfoons en biologische sensoren, toepassingen van de vezels kunnen losse netten zijn die de waterstroom in de oceaan bewaken en sonarbeeldvormingssystemen met veel hogere resoluties:een weefsel geweven van akoestische vezels zou het equivalent van miljoenen kleine akoestische sensoren opleveren.

Zheng, een onderzoekswetenschapper in Fink's lab, wijst er ook op dat hetzelfde mechanisme waarmee piëzo-elektrische apparaten elektriciteit in beweging kunnen omzetten, omgekeerd kan werken. "Stel je een draad voor die elektriciteit kan opwekken als hij wordt uitgerekt, " hij zegt.

uiteindelijk, echter, de onderzoekers hopen de eigenschappen van hun experimentele vezels te combineren in één vezel. sterke trillingen, bijvoorbeeld, kan de optische eigenschappen van een reflecterende vezel variëren, waardoor stoffen optisch kunnen communiceren.

Max Schtein, een assistent-professor aan de afdeling materiaalkunde van de Universiteit van Michigan, wijst erop dat andere laboratoria piëzo-elektrische vezels hebben gebouwd door eerst een streng van een enkel materiaal uit te trekken en er vervolgens andere materialen aan toe te voegen, ongeveer zoals fabrikanten momenteel isolerend plastic om koperdraad wikkelen. "Yoel heeft het voordeel dat hij in één keer kilometers van dit spul kan extruderen, " zegt Shtein. "Het is een zeer schaalbare techniek." Maar voor toepassingen die relatief korte vezels vereisen, zoals sensoren die in haarvaten worden ingebracht, Shtein zeg, "schaalbaarheid is niet zo relevant."

Maar of de techniek van het Fink lab bewijst, in alle gevallen, de meest praktische manier om akoestische vezels te maken, "Ik ben onder de indruk van de complexiteit van de structuren die ze kunnen maken, "zegt Shtein. "Ze zijn ongelooflijk virtuoos in die techniek."