Per secoli, "fibre artificiali" significava la materia grezza di vestiti e corde; nell'era dell'informazione, viene a significare i filamenti di vetro che trasportano i dati nelle reti di comunicazione. Ma per Yoel Fink, professore associato di Scienza dei materiali e ricercatore principale presso il Research Lab of Electronics del MIT, i fili utilizzati nei tessuti e persino nelle fibre ottiche sono troppo passivi. Per l'ultimo decennio, il suo laboratorio ha lavorato per sviluppare fibre con proprietà sempre più sofisticate, per abilitare i tessuti che possono interagire con il loro ambiente.

Nel numero di agosto di Nature Materials, Fink e i suoi collaboratori annunciano una nuova pietra miliare sulla strada delle fibre funzionali:fibre in grado di rilevare e produrre suoni. Le applicazioni potrebbero includere vestiti che sono essi stessi microfoni sensibili, per catturare il parlato o monitorare le funzioni corporee, e minuscoli filamenti che potrebbero misurare il flusso sanguigno nei capillari o la pressione nel cervello. La carta, i cui autori includono anche Shunji Egusa, un ex postdoc nel laboratorio di Fink, e gli attuali membri del laboratorio Noémie Chocat e Zheng Wang, apparso su Materiali della natura ' sito web l'11 luglio e il lavoro che descrive è stato supportato dall'Institute for Soldier Nanotechnologies del MIT, la National Science Foundation e la Defense Advanced Research Projects Agency del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti.

Le fibre ottiche ordinarie sono costituite da una "preforma, "un grosso cilindro di un unico materiale che viene riscaldato, tirato fuori, e poi raffreddato. Le fibre sviluppate nel laboratorio di Fink, al contrario, traggono la loro funzionalità dall'elaborata disposizione geometrica di diversi materiali, che deve sopravvivere intatto al processo di riscaldamento e trafilatura.

Le cose giuste

Il cuore delle nuove fibre acustiche è una plastica comunemente usata nei microfoni. Giocando con il contenuto di fluoro della plastica, i ricercatori sono stati in grado di garantire che le sue molecole rimangano sbilenche - con atomi di fluoro allineati da un lato e atomi di idrogeno dall'altro - anche durante il riscaldamento e il disegno. L'asimmetria delle molecole è ciò che rende la plastica "piezoelettrica, " significa che cambia forma quando gli viene applicato un campo elettrico.

In un microfono piezoelettrico convenzionale, il campo elettrico è generato da elettrodi metallici. Ma in un microfono in fibra, il processo di trafilatura farebbe perdere la forma agli elettrodi metallici. Quindi i ricercatori hanno invece usato una plastica conduttiva che contiene grafite, il materiale trovato nella mina di matita. Quando riscaldato, la plastica conduttrice mantiene una viscosità più elevata - produce un fluido più denso - rispetto a un metallo.

Questo non solo ha impedito la miscelazione dei materiali, ma, in modo cruciale, è realizzato anche per fibre di spessore regolare. Dopo che la fibra è stata tirata, i ricercatori devono allineare tutte le molecole piezoelettriche nella stessa direzione. Ciò richiede l'applicazione di un potente campo elettrico, 20 volte più potente dei campi che causano i fulmini durante un temporale. Ovunque la fibra è troppo stretta, il campo genererebbe un minuscolo fulmine, che potrebbe distruggere il materiale circostante.

Risultati audio

Nonostante il delicato equilibrio richiesto dal processo produttivo, i ricercatori sono stati in grado di costruire fibre funzionanti in laboratorio. "Puoi davvero sentirli, queste fibre, "dice Chocat, uno studente laureato nel dipartimento di scienze dei materiali. "Se li collegassi a un alimentatore e applicassi una corrente sinusoidale" - una corrente alternata il cui periodo è molto regolare - "allora vibrerebbe. E se lo fai vibrare a frequenze udibili e lo avvicini all'orecchio, potresti effettivamente sentire diverse note o suoni che ne escono." Per il loro articolo Nature Materials, però, i ricercatori hanno misurato le proprietà acustiche della fibra in modo più rigoroso. Poiché l'acqua conduce il suono meglio dell'aria, l'hanno messo in un serbatoio d'acqua di fronte a un trasduttore acustico standard, un dispositivo che potrebbe emettere alternativamente onde sonore rilevate dalla fibra e rilevare onde sonore emesse dalla fibra.

Oltre a microfoni indossabili e sensori biologici, le applicazioni delle fibre potrebbero includere reti sciolte che monitorano il flusso dell'acqua nell'oceano e sistemi di imaging sonar di grandi aree con risoluzioni molto più elevate:un tessuto intessuto di fibre acustiche fornirebbe l'equivalente di milioni di minuscoli sensori acustici.

Zheng, un ricercatore nel laboratorio di Fink, sottolinea inoltre che lo stesso meccanismo che consente ai dispositivi piezoelettrici di tradurre l'elettricità in movimento può funzionare al contrario. "Immagina un filo che può generare elettricità quando viene allungato, " lui dice.

In definitiva, però, i ricercatori sperano di combinare le proprietà delle loro fibre sperimentali in un'unica fibra. Vibrazioni forti, ad esempio, potrebbe variare le proprietà ottiche di una fibra riflettente, consentendo ai tessuti di comunicare otticamente.

Max Shtein, un assistente professore nel dipartimento di scienza dei materiali dell'Università del Michigan, sottolinea che altri laboratori hanno costruito fibre piezoelettriche estraendo prima un filo di un singolo materiale e poi aggiungendovi altri materiali, in modo molto simile al modo in cui attualmente i produttori avvolgono la plastica isolante attorno al filo di rame. "Yoel ha il vantaggio di poter estrudere chilometri di questa roba in un colpo solo, " Dice Shtein. "È una tecnica molto scalabile." Ma per applicazioni che richiedono fili di fibra relativamente corti, come sensori inseriti nei capillari, Shtein dire, "la scalabilità non è così rilevante."

Ma indipendentemente dal fatto che la tecnica del laboratorio Fink si dimostri, in tutti i casi, il modo più pratico per realizzare fibre acustiche, "Sono impressionato dalla complessità delle strutture che possono realizzare, " dice Shtein. "Sono incredibilmente virtuosi in quella tecnica."