Srpnové číslo časopisu Nature Materials přineslo článek vědců z Massachusettského technického institutu (MIT), kterým se podařilo vytvořit vlákna „utkaná“ z různých materiálů. Umí zvuk registrovat a reprodukovat.
Základem zázračných akustických vlastností vlákna je již přes sto let dobře známý piezoelektrický jev. Přetvářet vibrace na elektrický signál s odpovídající frekvencí a ten pak opět na zvuk také není žádnou novinkou – na tomto principu fungují některé mikrofony, zejména kontaktní, používané při zesilování zvuku akustických hudebních nástrojů.
Jenže vytvořit dlouhé piezoelektrické vlákno, jež dokáže zvuk zachytit nebo zreprodukovat, není jednoduché. To z MITu sice nepředstavuje první prototyp, je ale prvním, které je možné natáhnout do délky, čímž se jeho původní průměr podstatně ztenčí a délka zmnohonásobí. Již z toho se dá vytušit, že jeho základem jsou termoplastické polymery.
Obrázek vpravo prozrazuje, jak a z jakých materiálů je vlákno s kruhovým průřezem vytvořeno. První vnitřní vrstvou je dutá tenká hadička z běžného a hojně používaného termoplastického polykarbonátu (PC). Na ní je nanesena vrstvička v podstatě stejného materiálu, jenom polymer je nadopovaný uhlíkem (carbon-loaded polycarbonate - CPC). Ten zajišťuje elektrickou vodivost, tedy přenáší elektrický náboj podél vlákna. Pak přichází to nejdůležitější - vrstva směsného piezoelektrického polymeru (kopolymeru) pod zkratkou P(VDF-TrFE), což označuje kombinaci poly(vinylidenfluoridu s trifluoretylenem). Již samotný polyvinylidenfluorid má pozoruhodné piezoelektrické vlastnosti, 10x lepší, než jiné polymery. Trifluoretylen tuto elektrickou odezvu na tlak ještě zvyšuje.
Pak jsou naneseny opět obě vrstvy polykarbonátu, jenže v opačném pořadí. Kopolymer P(VDF-TrFE) i z vnější strany obaluje vodivý uhlíkový CPC a pak běžný polykarbonát (PC).
Ve vláknu je zabudovaný ještě jeden důležitý prvek, bez kterého by se nedalo s vláknem „komunikovat“ - elektrody. Aby se i s nimi dalo vlákno tepelně natáhnout, jsou z drátků vzácného india, které je měkké a tažné. Elektrody jsou dvě, z pohledu kolmo na průřez umístěné proti sobě, přičemž jedna se táhne po vnitřní straně vnitřní vodivé PCP vrstvy a ta druhá po vnější straně vnější PCP vrstvy (na obrázku jsou elektrody znázorněné šedými obdélníčky přiléhajícími k černým PCP vrstvám).
Po natažení vlákna do délky, která může dosáhnout několik set metrů, je nevyhnutné pomocí extrémně silného elektrického pole, jež prý až 20x převyšuje pole generované bleskem, naorientovat piezoelektrické domény (nejmenší oblasti v materiálu, ve kterých se piezoelektrické vlastnosti projevují) stejným směrem podél celého vlákna. Molekuly piezoelektrického polymeru mají polární strukturu, v níž jsou atomy fluoru na jedné straně a atomy vodíku na straně opačné. Intenzivní elektrické pole molekuly přinutí se natočit stejně, což zajistí homogenitu piezoelektrických vlastností po celé délce.
Takto vytvořené a upravené vlákno má pozoruhodné schopnosti – reaguje na vibrace v širokém rozsahu frekvencí. Mechanické vlnění (zvuk) převádí na odpovídající elektrický signál a obráceně – sinusoidálně se měnící elektrické napětí přiváděné na elektrody ho rozechvěje jako strunu. „Když vlákno rozkmitáte ve slyšitelných frekvencích a přiložíte k němu ucho, můžete zachytit různé tóny, které vydává,“ s nadšením vysvětluje členka Finkova týmu, doktorandka Noémie Chocatová.
Kromě vlákna s kruhovým průřezem vědci vytvořili i ploché vlákno (viz obrázek). O něm se ve volně dostupných doplňkových informacích k článku můžeme dočíst, že před natažením jde o sendvičovou multikompozitní strukturu se stejnou posloupností jako u předcházejícího typu. Před natažením má rozměry v průřezu 32 x 11 mm a délku 25 cm. Po natahování při teplotě asi 230 oC se jeho šířka ztenčí z původních 32 mm na 2 až 0,6 mm a v stejném poměru se samozřejmě sníží i výška. Délka naroste na stovky metrů. Je to proces proměny, který si vyžaduje velkou přesnost a opatrnost v mnohých ohledech, protože nejen narušení vnitřních vrstev nebo indiových elektrod, ale i nerovnoměrnost v jejich tloušťce veškerou snahu zmaří.
Protože voda přenáší zvuky lépe než vzduch, vědci hotové vlákno testovali v nádrži pomocí akustické sondy, která dokáže jak zvukové vlny vysílat, tak ty, produkované vibrujícím vláknem, zachytávat a měřit.
Možnosti využití se dají zatím jen odhadnout. Nejtenčí piezoelektrická vlákna by prý mohla měřit tlak krve v cévách, další se dají integrovat do látek a tak by část oblečení mohla snímat například frekvenci tlukotu srdce. „Akustické tkaniny" snímající jako citlivé mikrofony zvuky v okolí by jistě našly široké a možná ne právě pozitivní uplatnění. Obtížné je nyní posoudit využitelnost vláken jako možných reproduktorů zvuku, na žádost o zaslání zvukové ukázky jsme z MITu zatím nedostali odpověď.
Poznámka: Již před třemi lety se v časopisu Nature Materials objevil zajímavý článek s poutavým názvem „Vstříc kompozitním víceúčelovým vláknům, která vidí, slyší, cítí a komunikují“. Také vyšel z dílny Massachusettského technického institutu MIT a v desetičlenném kolektivu byl i tenkrát Yoel Fink spolu s dvěma dalšími kolegy, kteří jsou spoluautory i nynější práce o akustických piezoelektrických vláknech. Tenkrát ale šlo o analýzu možností v jednom vláknu zkombinovat více zajímavých vlastností – elektrické, optické, tepelné nebo i akustické. Článek je, na rozdíl od toho nynějšího, volně přístupný: Towards multimaterial multifunctional fi bres that see, hear, sense and communicate.
Zdroje: Nature Materials, MIT News