Последние 10 лет его лаборатория работала над созданием волокна с гораздо более сложными свойствами – такого, которое позволит ткани взаимодействовать с окружающей средой. И результатами кропотливой работы стало не что иное, как волокно, способное определять и воспроизводить звук. Среди возможных вариантов применения разработки – одежда (которая сама по себе является чувствительным микрофоном), позволяющая улавливать речь и проводить мониторинг выполнения функций тела, а также крошечные нити, способные измерять ток крови в капиллярах и давление в головном мозге.

Обычное оптическое волокно изготавливается из специальных «заготовок» – большого цилиндра из отдельного материала, который поддаётся нагреванию, вытягиванию, а затем охлаждается. Волокна, разработанные в лаборатории Финка, напротив, приобретают свою функциональность благодаря сложному геометрическому расположению нескольких различных материалов, которым необходимо пройти процесс нагревания и вытягивания, оставшись нетронутыми.

Ядром нового акустического волокна является пластик, широко используемый в микрофонах. «Поиграв» с содержавшимся в пластике фтором, учёным удалось убедиться, что его молекулы остаются искривлёнными (с атомами фтора с одной стороны и атомами водорода – с другой), даже при нагреве и растягивании. Асимметрия молекул – это именно то, что делает пластик «пьезоэлектрическим», то есть таким, форма которого изменяется при воздействии на него электрического поля.

Электрическое поле в обычных пьезомикрофонах порождается металлическими электродами. Но в волоконном микрофоне процесс растягивания вызывает утерю формы металлическими электродами. Поэтому учёные использовали проводимый пластик, содержащий графит – материал карандашного грифеля. При нагревании такой пластик сохраняет более высокую вязкость, чем металл.

Это не только предотвращает смешивание материалов, но, что самое главное, позволяет производить волокна с постоянной толщиной. После растяжения волокон необходимо привести все пьезоэлектрические молекулы в то же самое состояние. А это требует применения мощного электрического поля – в 20 раз превышающего по силе поле, вызывающее молнию во время грозы.

Несмотря на столь хрупкое равновесие, требуемое производственным процессом, исследователям удалось построить функционирующие волокна в лабораторных условиях. «Вы действительно сможете услышать их, эти волокна», – утверждает Чокэт (Chocat), аспирант кафедры материаловедения. – «Если Вы подключите их к источнику питания и запустите синусоидальный ток (переменный ток с регулярными периодами), волокна будут вибрировать. И если Вы заставите их вибрировать на звуковых частотах и приложите близко к уху, действительно сможете услышать разные ноты и звуки, исходящие из волокна».

Однако учёные провели более строгие измерения акустических свойств созданного материала. Поскольку вода проводит звук лучше воздуха, исследователи поместили волокно в резервуар с водой напротив стандартного акустического преобразователя – устройства, которое поочерёдно испускает звуковые волны, которые «засекаются» волокном, и обнаруживает волны, производимые самим волокном.

В добавление к пригодным для ношения микрофонам и биологическим сенсорам, среди возможных применений разработанных волокон учёные называют «свободные» сети, контролирующие поток воды в океане, и обширные системы гидроакустического изображения с гораздо более высоким разрешением. Ткань из акустических волокон сможет обеспечить эквивалент миллионов крошечных акустических датчиков.

Чжэн (Zheng), научный сотрудник лаборатории Финка, также указал на то, что этот же механизм, позволяющий пьезоэлектрическим устройствам переводить электроэнергию в движение, способен работать и в обратном направлении. «Представьте себе поток, который может генерировать электричество во время растяжения», – объяснил он.
Источник: esciencenews.com

Страницы: 1 2

загрузка...