米国、音波を発音・検出する繊維を開発

数百年来、じんぞうせんい衣服やひもの原材料のことで、情報の時代になると、繊維の意味は通信ネットワークにデータを運ぶガラスのフィラメントに変わった。しかし、マサチューセッツ工科大学電子研究実験室のユル・フィンク准教授にとって、織物や光ファイバに使用されるこれらの繊維は受動的すぎる。過去10年間、彼の実験室は繊維織物が周囲の環境と相互作用するように、より先進的な性能を持つ繊維の開発に取り組んできた。

最近号のネイチャー・マテリアル誌では、フィンクとその協力者がマイルストーン的な意味を持つ新規機能繊維：検出して音を発生させることができる繊維。この繊維の応用には、マイクとして使用できる服を作り、音声を捕捉したり、身体機能を監視したりすることができる、あるいは毛細血管中の血液流量や脳の圧力を測定できる微細なモノフィラメントを作製することもできる。

新繊維は非対称分子プラスチックを含む

一般的な光学繊維は「プリフォーム」で作られ、プリフォームは加熱、紡糸、冷却が可能な大きな円筒状の単一材料である。対照的に、フィンク研究所が開発した繊維は、いくつかの異なる材料を入念に幾何学的に配置し、加熱と延伸プロセスで完全に維持できるようにした。

新しい音響繊維のコアはマイクで一般的に使用されているプラスチック。このプラスチック中のフッ素含有量は、加熱と延伸の過程でもフッ素原子と水素原子のそれぞれの側にある分子が不平衡状態にあることを確保することができる。この分子の非対称性はプラスチックに「圧電性」を持たせ、これは1つの電場がそれに適用されると形状が変化することを意味する。

従来の圧電マイクロホンでは、電界は金属電極から発生する。しかし、繊維マイクロホンでは、引張プロセスによって金属電極の形状が失われることがあります。そのため、研究者は代わりに黒鉛を含む導電性プラスチックを用いた。導電性プラスチックは加熱時に稠密な液体を生成し、金属電極よりも高い粘度を維持する。これは材料の混合を阻止するだけでなく、繊維にも通常の厚さを持たせることが重要です。

繊維が延伸されると、研究者はすべての圧電分子を同じ方向に配列する必要がある。この場合、強力な電場（雷鳴で稲妻を起こす電場よりも20倍強い）を適用する必要があります。繊維のどこも非常に狭いため、周囲の物質を破壊する微小な稲妻球が生成されます。

発声繊維の用途が広い

製造過程にはこのような微妙なバランスが必要であるにもかかわらず、研究者は実験室でこのような機能繊維を作ることができる。電源に接続し、正弦波電流（周期が非常に安定した交流）を印加すると、繊維が振動します。オーディオ周波数で振動させ、耳に近づけると、異なる音符や音を聞くことができます。『自然・材料』の論文では、研究者は繊維の音響性能をより厳格に測定した。水は空気よりも音を伝導することができるため、繊維が検出できる音波を交互に発することができ、同時に繊維が発する音波を検出することができる標準的な音響変換器の向こうのタンクに繊維を置く。

研究者は最終的にこれらの実験繊維の性能を1本の単一繊維に統合することを望んでいる。例えば、強い振動は反射光ファイバの光学特性を変化させ、それによって繊維織物が光学通信を行うことができるようにすることができる。ウェアラブルマイクとバイオセンサのほか、この繊維の応用には、海洋中の水の流量を監視することができる網と、数百万個の微小な音響センサに相当するこの音響繊維を用いて織られた織物を用いた高解像度の大面積音響イメージングシステムが含まれる。研究者によると、同じメカニズムを利用して、圧電素子は逆に電力を運動に変換することができるという。