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 蠶絲織物因其色澤艷麗、清爽涼快而倍受珍視。哥倫比亞工程研究人員發(fā)現(xiàn)，一種野生蠶蛾毛蟲，即馬達加斯加彗星蛾（Argemamittrei）產(chǎn)生的纖維，在光澤度和冷卻能力方面非常優(yōu)越。彗星蛾的繭纖維不僅具有優(yōu)異的冷卻性能，而且具有傳輸光信號和圖像的特殊能力。

馬達加斯加彗星蛾繭纖維具有金屬光澤。（圖像：Norman Shi和Nanfang Yu /哥倫比亞工程）

      這個科研小組由應(yīng)用物理學副教授Nanfang Yu領(lǐng)導，研究小組在彗星蛾繭纖維中發(fā)現(xiàn)與一維納米結(jié)構(gòu)相關(guān)的光學特性。他們對這些纖維不同尋常的特性非常著迷，由此開發(fā)了一種自旋人造纖維技術(shù)，它可以模仿天然纖維的納米結(jié)構(gòu)和光學特性。

      這項研究發(fā)表在今日之光：《科學和應(yīng)用》雜志上，（“納米結(jié)構(gòu)纖維作為一個多功能光子平臺：通過橫向喬林定位輻射冷卻和波導）("Nanostructured fibers as a versatile photonic platform: Radiative cooling and waveguiding through transverse Anderson localization")。

      “彗星蛾纖維是最好的天然纖維材料，可以阻擋可見光。類似的合成納米纖維具有相似的的光學特性，這對對合成纖維工業(yè)具有重要意義，”納米光子學專家Yu說。這些纖維的另一個驚人特性是，它們可以引導光信號，甚至可以將簡單圖像從光纖一端傳輸?shù)搅硪欢恕＿@意味著我們可以將它們作為生物相容性和可生物吸收的材料，用于生物醫(yī)學應(yīng)用中的光信號和圖像傳輸。

      我們的家蠶產(chǎn)生的纖維在光學顯微鏡下看起來像透明的固體圓柱，但是由彗星蛾毛蟲紡出的單絲線具有高度的金屬光澤。彗星蛾纖維含有高密度的納米纖維狀空隙，它們沿著纖維分布，并引起強烈的鏡面反射。

      這種天然纖維厚度約為50微米，是人類頭發(fā)的一倍，可反射超過70%的可見光。相比之下，對于包括絲織物在內(nèi)的普通紡織品，為了達到這樣的反射率水平，人們必須將許多透明纖維放在一起，使其總厚度達到彗星蛾纖維的10倍。

模擬彗星蛾繭纖維光學性質(zhì)的人造纖維掃描電子顯微照片。頂行：含有高密度絲狀空隙的再生絲制成的合成纖維橫向和縱向橫截面。底行：含有高密度絲狀空隙的PVDF（聚偏二氟乙烯）纖維的相應(yīng)圖像。（圖像：Norman Shi和Nanfang Yu /哥倫比亞工程）

      彗星蛾纖維引導光的能力是一種稱為橫向喬林定位的效果，也是纖維沿纖維狀空隙的結(jié)果：空氣空隙在纖維橫截面中引起強烈的光散射，提供側(cè)向限制光，但對光沿纖維傳播沒有障礙。

      這種導光限制光在沒有橫向光泄漏的材料內(nèi)部傳播，與通過海底光纖傳輸?shù)墓鈧鬏斢泻艽蟮牟煌谝粋€纖維核心和一個包覆層之間，光限制是通過邊界處的反射提供的。最近從Yu實驗室畢業(yè)的博士生Norman Shi說。這是首次在天然材料系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)橫向喬林定位。我們的發(fā)現(xiàn)開辟了光引導，圖像傳輸，光聚焦和生物相容性的潛在應(yīng)用。

      一旦Yu的團隊對彗星蛾纖維進行了表征，他們就著手發(fā)明新的纖維牽引方法來模擬彗星蛾卡特彼勒纖維紡絲機制，以產(chǎn)生嵌入高密度的微粒或絲狀空隙纖維。研究人員獲得了比天然纖維高出幾倍的空隙：單一的生物啟發(fā)纖維能夠反射93%的陽光。他們使用兩種材料生產(chǎn)了這些仿生纖維：天然材料（再生絲，即絲纖維的液體前驅(qū)體）和合成聚合物（聚偏二氟乙烯）。顯然前者適合于需要生物相容性的應(yīng)用，后者適合于高通量生產(chǎn)。

      Yu說：“我們的仿生纖維和用于紡織服裝的纖維主要區(qū)別在于，生物仿生纖維含有工程化的納米結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的纖維都有一個堅實的核心。”通過高通量、高產(chǎn)量的纖維紡絲工藝在纖維的微小截面上，進行結(jié)構(gòu)工程的能力開辟了一個新的設(shè)計維度，我們可以將全新的光學和熱力學功能注入到由這種纖維組成的纖維和紡織品中。我們甚至可以改造合成纖維工業(yè)。

      這些仿生纖維可用于制作超薄夏裝，這種服裝具有“空調(diào)”特性。只有幾層纖維可以制成一種完全不透明的織物，它的厚度甚至只是是一張紙的一小部分。當人們出汗時，這種材料不會變成半透明的，這是傳統(tǒng)紡織品的常見問題。汗液減少反射光的纖維-空氣界面的數(shù)量，以此來減少普通織物的不透明度，但它不會影響嵌入在生物啟發(fā)纖維中的納米級空氣空隙。此外，由“多孔”纖維制成的超薄服裝將通過汗液蒸發(fā)、人體微環(huán)境和外部環(huán)境之間的氣流以及身體對外界環(huán)境的輻射來促進冷卻。“因此，你的衣服可以通過蒸發(fā)、對流和輻射冷卻的集體效應(yīng)給你最終的冷卻體驗，” Yu補充說。

      馬達加斯加彗星蛾是世界上最大的一種蛾，繭長6～10厘米。毛蟲在馬達加斯加的樹冠上制造繭，如果它們的繭不具有反射性的金屬光澤，那么馬達加斯加充足的陽光會極大地加熱蛹。這些非同尋常的纖維，絲狀的空氣空隙可能是自然選擇以防止蠶蛹過熱的結(jié)果，這個發(fā)現(xiàn)是國際扶貧非政府組織主任Catherine Craig得出的。CPALI與馬達加斯加的農(nóng)民合作，通過培育和銷售本土資源來獲得可持續(xù)發(fā)展，其中一種產(chǎn)品是由蛾毛蟲產(chǎn)生的纖維。

      Yu目前正在致力于提高生產(chǎn)這種仿生納米結(jié)構(gòu)纖維的能力。他的實驗室希望通過對工業(yè)纖維生產(chǎn)的普遍做法進行微小修改來實現(xiàn)這一目標。

      “我們不想徹底改變那些在整個行業(yè)中使用的巨型纖維紡絲機，”Yu說。相反，我們希望把一些關(guān)鍵的步驟或部件進行改變，使這些機器能夠產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)纖維。