用擬彗星蛾絲纖維做成的“空調(diào)”織物

文/楊雅梅

馬達加斯加彗星蛾是世界上最大的一種飛蛾，繭長6～10厘米。先期毛蟲在樹冠上做繭。其繭若不具有反射性的金屬光澤，那么馬達加斯加充足的光照會使蛹蟲無法忍受極大的熱力。為了順應(yīng)這類氣候，這種飛蛾因此創(chuàng)造了非同尋常的纖維，絲狀的空氣空隙是防過熱的自然選擇結(jié)果。這個研究結(jié)果原本是國際扶貧非政府組織（CPALI）研究得出的。他們曾與馬達加斯加的農(nóng)民合作，通過培育和銷售本土資源促使當(dāng)?shù)孬@得可持續(xù)性發(fā)展，其中的項目之一就是蛾毛蟲纖維的研發(fā)。

隨后，哥倫比亞一工程研究小組在探索馬達加斯加彗星蛾繭纖維光學(xué)特性時，發(fā)現(xiàn)了其反射太陽光和傳輸光學(xué)信號和圖像的卓越能力，他們因此模仿其天然纖維的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性，開發(fā)出一種人造紡織纖維的方法。

最初他們發(fā)現(xiàn)，一種稱為野生蠶蛾的毛蟲能吐絲，即馬達加斯加彗星蛾（Argemamittrei）纖維，這種絲在光澤度和散熱方面非常優(yōu)越。彗星蛾纖維不僅具有優(yōu)異的冷卻性能，而且還具有傳輸光信號和圖像的特殊能力。

這個科研小組在彗星蛾纖維中發(fā)現(xiàn)與納米結(jié)構(gòu)相關(guān)的光學(xué)特性。他們對這種纖維不同尋常的特性非常著迷，因而開發(fā)出一種技術(shù)，稱其為自旋式人造纖維工藝，它可模仿天然纖維的納米結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性。這項研究已發(fā)表在美國《光科學(xué)與應(yīng)用》期刊上。該項目帶頭人認(rèn)為，彗星蛾纖維是阻擋可見光最好的天然纖維材料。類似的合成納米纖維具有相似的光學(xué)特性，這對合成纖維行業(yè)具有重要意義。這類纖維的另一驚人特性是，它可引導(dǎo)光信號，甚至可將簡單圖像從光纖一端傳輸?shù)搅硪欢?。這意味著人類可將其作為生物相容性和可吸收的生物材料加以利用，用于生物醫(yī)學(xué)中的光信號和圖像傳輸。

人類家蠶纖維在光學(xué)顯微鏡下看起來像透明的固體圓柱，但彗星蛾毛蟲吐出的單絲具有高度的金屬光澤。彗星蛾纖維含有高密度的納米級纖維狀孔隙，這種纖維表面可引起類似于鏡面的強烈反射，直徑約為50μm，能反射超過70%的可見光，比人類頭發(fā)多一倍。相比之下，包括絲織物在內(nèi)的普通紡織品表面要達到這樣的反射率水平，須將許多透明纖維緊密捆綁一起，使其總厚度達到彗星蛾纖維的10倍。此外，彗星蛾纖維的高反射率遠遠超出一般肉眼能察覺的可見光范圍，甚至延伸到人眼看不見的紅外光譜，紅外光包含約一半的太陽光能。由于這類纖維具有吸收紫外線（UV）的能力，這使其成為阻擋太陽紫外線光的理想材料。

彗星蛾纖維的光導(dǎo)能力是能產(chǎn)生一種稱為“安德森橫向定位”，這也是形成纖維狀空隙的結(jié)果：空氣空隙在纖維橫截面中引起強烈的散射光，又具有側(cè)射光，但對光沿纖維傳輸沒有影響。

這種模式的引導(dǎo)光在沒有橫面泄漏的材料面上鋪撒開來，與用于海底光纖傳輸光有很大的不同，海底光纖是在纖維核心和包覆層間傳輸，光束是通過光界面反射形成。而在天然材料系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的安德森橫向定位尚屬世界首次。它開辟了光引導(dǎo)、圖像傳輸、光聚焦和生物相容性的潛在應(yīng)用。

一旦該小組針對彗星蛾纖維進行表征定性，那么他們可著手模擬彗星蛾纖維絲原理，研發(fā)出新型纖維，即可創(chuàng)造嵌入式高密度微?；蚪z狀空隙纖維。這樣，研究人員即可獲得比天然纖維高出幾倍的空隙：利用單一生物纖維即能反射93%的光。由此，研發(fā)出新的仿生纖維：如天然材料與合成聚酯，這一研發(fā)可使這種纖維材料應(yīng)用更廣，且擁有生物相容性，又能規(guī)模化生產(chǎn)。

仿生纖維和用于紡織服裝的纖維主要區(qū)別在于，仿生纖維含有工程化的納米結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的纖維都有堅核。高吞吐量、高產(chǎn)量的纖維紡絲工藝在纖維的微截面上進行結(jié)構(gòu)化工程，即可開辟出嶄新的設(shè)計維度，業(yè)界甚至可將全新的光學(xué)和熱力學(xué)原理注入到由這種纖維組成的纖維紡織品中，從而給合成纖維工業(yè)帶來一場革命！

人在夏季出汗時，穿的傳統(tǒng)紡織品打濕后呈現(xiàn)半透明狀；而仿生纖維可制作超薄夏裝，這種服裝具有“空調(diào)”特性。世界上可制成完全不透明織物的纖維并不多見，而這種纖維的厚度甚至可以比紙張還薄很多。當(dāng)人們出汗時，這種材料不會呈現(xiàn)半透明狀。這是因為汗液減少了纖維的反射光，空氣界面量也隨之減少，以此可減少普通織物的透明度，但它不會影響嵌入在生物纖維中的納米級空隙，從而實現(xiàn)“空調(diào)”的功能。此外，由“多孔”纖維制成的超薄服裝將使汗液蒸發(fā)，人體微環(huán)境和外部環(huán)境間的氣流流通可促進涼爽。因此，衣服也可通過蒸發(fā)、對流和冷卻給人最終的涼爽體驗。

該團隊目前正致力于提高生產(chǎn)這種仿生納米結(jié)構(gòu)纖維的能力。其實驗室希望在普通纖維生產(chǎn)的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新，以實現(xiàn)這一目標(biāo)。他們不想徹底改變整個纖維紡織行業(yè)中使用的大型纖維紡絲機，只希望改進關(guān)鍵的步驟或部件，使其能大規(guī)模生產(chǎn)這類納米結(jié)構(gòu)纖維。