Говорит и показывает: Свет и звук волокна
На протяжении многих веков созданные человеком волокна служили всего лишь сырьем для одежды и веревок, и лишь в век компьютерных технологий появилось понятие «оптического волокна», передающего данные в системах связи. Но Йоэлю Финку (Yoel Fink), профессору Массачусетского технологического института (MIT), все эти виды волокон показались слишком обыденными. За десятилетие упорной работы его лаборатория (MIT's Research Lab of Electronics) создала волокна с весьма необычными свойствами. Такие волокна могут «слышать» и «разговаривать», взаимодействуя с окружающей средой.
Предметы одежды, изготовленные из такого волокна, могут играть роль высокочувствительных «микрофонов», отслеживая функции организма, а отдельные крошечные нити — измерять ток крови в капиллярах или давление в головном мозге.
Обычное оптическое волокно получают из цилиндрической «заготовки» из однородного материала, который нагревают, вытягивают, а затем охлаждают. Волокна, разработанные в лаборатории Финка, получают из заготовки, состоящей из сложного геометрического переплетения различных материалов. Функциональность получившегося волокна зависит от того, насколько хорошо эта структура сохранилась в процессе нагревания и вытягивания. Поэтому необходимо было подобрать материалы, которые не только обладают нужными свойствами, но и имеют одинаковую температуру плавления.
В центре нового акустического волокна — широко используемый в микрофонах пластик. Варьируя содержание фтора в этом полимере, исследователи смогли добиться формирования упорядоченных структур, в которых атомы фтора выстраиваются по одну сторону, а атомы водорода — по другую, сохраняя этот порядок даже при нагревании и растяжении материала. Асимметрия молекул придает материалу пьезоэлектрические свойства, и он изменяет свою форму под воздействием электрического поля. Это позволяет волокну «чувствовать» изменения давления и «слышать» звук.
В обычном пьезомикрофоне источниками электрического поля служат металлические электроды. Но при вытягивании волокна металлические электроды потеряют свою форму. Поэтому вместо них исследователи использовали проводящий полимер, в состав которого входит графит. При нагревании проводящий пластик сохраняет высокую вязкость и из него получаются «нити» большей толщины, чем из металла.
После того, как волокно вытягивается, необходимо упорядочить его структуру с тем, чтобы все молекулы пьезоэлектрического материала выстроились в одном направлении. Для этого исследователи использовали мощное электрическое поле — в 20 раз мощнее того, которое создается разрядом молнии. Если волокно будет слишком тонким, электрическое поле может вызвать крошечные разряды, которые способны разрушить материал волокна.
Несмотря на все сложности производства «акустического волокна», исследователям удалось достичь хрупкого равновесия материалов и получить функционирующие образцы. И их действительно можно услышать: если волокно подключить к источнику переменного тока, оно будет вибрировать. Можно установить частоту вибраций, равную звуковой — и тогда, если поднести волокно к уху, можно различить его «песню».
Полученное волокно состоит из светопроводящего сердечника, пьезоэлектрического слоя и электродов, проводящих ток к пьезоэлектрическому слою и обратно. Таким образом можно не только генерировать звук, но и преобразовывать механическое воздействие (в том числе и звуковые волны) в электрический сигнал. Представьте себе коврик, который может посчитать количество прошедших по нему людей, или материал, который сообщает о появившихся в нем микротрещинах...
Также команда Финка создала волокно, в состав которого входит отражающий слой, работающий подобно «оптическому переключателю». Этот слой взаимодействует с определенной длиной волны светового излучения, зависящей от его толщины. При растяжении волокна, вызванном работой пьезоэлектрического слоя, растягивается и «зеркало». В результате ткань, сотканная из такого волокна, может менять окраску.
Исследователи рассчитывают объединить свойства экспериментальных образцов (акустических и визуальных) в одном волокне, которое будет взаимодействовать и со светом, и со звуком.
По материалам MIT News,Technology Review