Por siglos, "fibras sintéticas" significaba la materia prima de la ropa y las cuerdas; en la era de la información, ha llegado a significar los filamentos de vidrio que transportan datos en las redes de comunicaciones. Pero para Yoel Fink, profesor asociado de ciencia de materiales e investigador principal en el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT, los hilos utilizados en los textiles e incluso las fibras ópticas son demasiado pasivos. Durante la última década, su laboratorio ha estado trabajando para desarrollar fibras con propiedades cada vez más sofisticadas, para habilitar tejidos que puedan interactuar con su entorno.

En la edición de agosto de Nature Materials, Fink y sus colaboradores anuncian un nuevo hito en el camino hacia las fibras funcionales:fibras que pueden detectar y producir sonido. Las aplicaciones pueden incluir ropa que sea en sí misma micrófonos sensibles, para capturar el habla o monitorear las funciones corporales, y pequeños filamentos que podrían medir el flujo sanguíneo en los capilares o la presión en el cerebro. El papel, cuyos autores también incluyen a Shunji Egusa, un ex postdoctorado en el laboratorio de Fink, y los miembros actuales del laboratorio Noémie Chocat y Zheng Wang, apareció en Materiales de la naturaleza 'sitio web el 11 de julio, y el trabajo que describe fue apoyado por el Instituto de Nanotecnologías de Soldados del MIT, la Fundación Nacional de Ciencias y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa del Departamento de Defensa de EE. UU.

Las fibras ópticas ordinarias están hechas de una "preforma, "un gran cilindro de un solo material que se calienta, Sacado, y luego enfriar. Las fibras desarrolladas en el laboratorio de Fink, por el contrario, derivan su funcionalidad de la elaborada disposición geométrica de varios materiales diferentes, que debe sobrevivir intacta al proceso de calentamiento y estirado.

Lo correcto

El corazón de las nuevas fibras acústicas es un plástico comúnmente utilizado en micrófonos. Jugando con el contenido de flúor del plástico, los investigadores pudieron asegurarse de que sus moléculas permanezcan torcidas, con átomos de flúor alineados en un lado y átomos de hidrógeno en el otro, incluso durante el calentamiento y el estirado. La asimetría de las moléculas es lo que hace que el plástico sea "piezoeléctrico, "lo que significa que cambia de forma cuando se le aplica un campo eléctrico.

En un micrófono piezoeléctrico convencional, el campo eléctrico es generado por electrodos metálicos. Pero en un micrófono de fibra el proceso de estirado haría que los electrodos metálicos perdieran su forma. Entonces, los investigadores utilizaron un plástico conductor que contiene grafito, el material que se encuentra en la mina de un lápiz. Cuando se calienta, el plástico conductor mantiene una viscosidad más alta (produce un fluido más espeso) que un metal.

Esto no solo evitó la mezcla de materiales, pero, crucialmente, también está hecho para fibras con un grosor regular. Después de estirar la fibra, los investigadores necesitan alinear todas las moléculas piezoeléctricas en la misma dirección. Eso requiere la aplicación de un campo eléctrico poderoso, 20 veces más poderoso que los campos que causan rayos durante una tormenta eléctrica. En cualquier lugar donde la fibra sea demasiado estrecha, el campo generaría un pequeño rayo, lo que podría destruir el material que lo rodea.

Resultados de sonido

A pesar del delicado equilibrio que requiere el proceso de fabricación, los investigadores pudieron construir fibras funcionales en el laboratorio. "Realmente puedes escucharlos, estas fibras, "dice Chocat, estudiante de posgrado en el departamento de ciencia de los materiales. "Si los conectas a una fuente de alimentación y les aplicas una corriente sinusoidal" - una corriente alterna cuyo período es muy regular - "entonces vibraría. Y si lo haces vibrar a frecuencias audibles y lo pones cerca de tu oído, de hecho, se podían escuchar diferentes notas o sonidos que salían de él ". Para su artículo de Nature Materials, sin embargo, los investigadores midieron las propiedades acústicas de la fibra de forma más rigurosa. Dado que el agua conduce el sonido mejor que el aire, lo colocaron en un tanque de agua frente a un transductor acústico estándar, un dispositivo que podría emitir alternativamente ondas sonoras detectadas por la fibra y detectar ondas sonoras emitidas por la fibra.

Además de micrófonos portátiles y sensores biológicos, Las aplicaciones de las fibras podrían incluir redes sueltas que monitorean el flujo de agua en el océano y sistemas de imágenes de sonar de área grande con resoluciones mucho más altas:una tela tejida con fibras acústicas proporcionaría el equivalente a millones de pequeños sensores acústicos.

Zheng, un científico investigador en el laboratorio de Fink, También señala que el mismo mecanismo que permite que los dispositivos piezoeléctricos traduzcan la electricidad en movimiento puede funcionar a la inversa. "Imagina un hilo que puede generar electricidad cuando se estira, " él dice.

Por último, sin embargo, los investigadores esperan combinar las propiedades de sus fibras experimentales en una sola fibra. Fuertes vibraciones, por ejemplo, podría variar las propiedades ópticas de una fibra reflectante, permitiendo que las telas se comuniquen ópticamente.

Max Shtein, un profesor asistente en el departamento de ciencia de materiales de la Universidad de Michigan, señala que otros laboratorios han construido fibras piezoeléctricas extrayendo primero una hebra de un solo material y luego agregando otros materiales, muy parecido a la forma en que los fabricantes envuelven actualmente el plástico aislante alrededor del alambre de cobre. "Yoel tiene la ventaja de poder extraer kilómetros de este material de una sola vez, ", Dice Shtein." Es una técnica muy escalable ". Pero para aplicaciones que requieren hebras de fibra relativamente cortas, como sensores insertados en capilares, Shtein dice, "la escalabilidad no es tan relevante".

Pero si la técnica del laboratorio Fink prueba o no, en todos los casos, la forma más práctica de fabricar fibras acústicas, "Estoy impresionado por la complejidad de las estructuras que pueden hacer, ", Dice Shtein." Son increíblemente virtuosos en esa técnica ".