Сотрудники Массачусетского технологического института (США) разработали оптоволокно, которое не только проводит и модулирует свет, но и вызывает и воспринимает изменения давления.
Многофункциональные волокна могут применяться в производстве различных типов датчиков и «умных» тканей, способных модулировать оптический сигнал.

Многофункциональное оптическое волокно умеет воспринимать и генерировать давление и звуковые волны. (Фото Research Laboratory of Electronics at MIT/Greg Hren.)

С помощью интеграции тепло- и светочувствительных материалов научная группа под руководством профессора Йоэля Финка изготовила волокна, которые выполняют роль простых датчиков. К ним добавили новый уровень функциональности посредством слоя пьезоэлектрического материала. Он преобразовывает электрические сигналы в механические изменения и наоборот, что и позволяет волокну чувствовать изменение давления.

Главная сложность в производстве такого волокна заключается в необходимости правильной укладки слоёв. Нужно было подобрать материалы, которые не только обладают подходящими свойствами, но ещё и плавятся при одинаковой температуре. Г-ну Финку и его коллегам потребовалось несколько лет на разработку процесса формирования заготовки, которая затем нагревается и превращается в тоненькое волокно из полимеров и металлов.

Диаметр заготовки пьезоэлектрического волокна составляет 40 мм. Она содержит полимер, который при остывании формирует высококачественный пьезоэлектрический кристалл, и поликарбонатный материал, вязкий и проводящий одновременно. При нагревании и растягивании оба компонента меняют свои масштабы с миллиметров на нанометры с одинаковым коэффициентом.

«Функциональная интеграция подразумевает интеграцию очень разных материалов, и то, что им удалось сделать, — большой шаг вперёд», — говорит Ритеш Агарвал, профессор материаловедения и прикладных наук из Пенсильванского университета (США). Его особенно поразило то, что пьезоэлектрический слой сохраняет свои свойства после растягивания: исследователи МТИ смогли создать такие условия, при которых кристалл остаётся в целости и сохранности.

Конечный продукт содержит сердцевину, способную проводить свет, пьезоэлектрический слой и электроды, передающие электрические сигналы пьезоэлектрическому слою и обратно. Под воздействием тока этот слой вызывает сокращения волокна, что может быть использовано, например, для создания акустических волн.

Кроме того, волокно имеет отражающий слой, который выполняет роль своеобразного оптического переключателя. Он взаимодействует со световой волной определённых длин, которые обусловлены толщиной слоёв. Если электрический импульс заставит «зеркало» сократиться, цвет, с которым будет взаимодействовать слой, изменится. Вставьте волокно в одежду — и она превратится в живой телевизор!

Да что одежда — любая поверхность может стать экраном. Причём говорящим: не забываем о способности волокна создавать звуковые волны.

Йоэль Финк считает, что его детище ждёт большое будущее. Скажем, если волокно заткать в коврик у двери, оно сможет посчитать количество человек, прошедших по нему. Если его внедрить в композиционные материалы конструкционного назначения, оно сообщит о трещинах задолго до того, как они станут опасными. Но самая заманчивая область применения новинки — биомедицина. Диаметр волокон меньше микрометра, так что их можно отправить внутрь сосудов и органов для мониторинга сердечного ритма, кровотока, биомаркеров и т. д. Способность волокон проводить инфракрасное излучение и звуковые сигналы позволит им заменить ультразвуковое исследование, электрокардиографию и химическую спектрометрию.

Волокна разной формы могут издавать звуки разными способами. (Иллюстрация MIT.)

Результаты исследования изложены в журнале Nature Materials .

Подготовлено по материалам Массачусетского технологического института .