用擬彗星蛾絲纖維做成的“空調”織物

文/楊雅梅

馬達加斯加彗星蛾是世界上最大的一種飛蛾，繭長6～10厘米。先期毛蟲在樹冠上做繭。其繭若不具有反射性的金屬光澤，那么馬達加斯加充足的光照會使蛹蟲無法忍受極大的熱力。為了順應這類氣候，這種飛蛾因此創造了非同尋常的纖維，絲狀的空氣空隙是防過熱的自然選擇結果。這個研究結果原本是國際扶貧非政府組織（CPALI）研究得出的。他們曾與馬達加斯加的農民合作，通過培育和銷售本土資源促使當地獲得可持續性發展，其中的項目之一就是蛾毛蟲纖維的研發。

隨后，哥倫比亞一工程研究小組在探索馬達加斯加彗星蛾繭纖維光學特性時，發現了其反射太陽光和傳輸光學信號和圖像的卓越能力，他們因此模仿其天然纖維的結構和光學特性，開發出一種人造紡織纖維的方法。

最初他們發現，一種稱為野生蠶蛾的毛蟲能吐絲，即馬達加斯加彗星蛾（Argemamittrei）纖維，這種絲在光澤度和散熱方面非常優越。彗星蛾纖維不僅具有優異的冷卻性能，而且還具有傳輸光信號和圖像的特殊能力。

這個科研小組在彗星蛾纖維中發現與納米結構相關的光學特性。他們對這種纖維不同尋常的特性非常著迷，因而開發出一種技術，稱其為自旋式人造纖維工藝，它可模仿天然纖維的納米結構和光學特性。這項研究已發表在美國《光科學與應用》期刊上。該項目帶頭人認為，彗星蛾纖維是阻擋可見光最好的天然纖維材料。類似的合成納米纖維具有相似的光學特性，這對合成纖維行業具有重要意義。這類纖維的另一驚人特性是，它可引導光信號，甚至可將簡單圖像從光纖一端傳輸到另一端。這意味著人類可將其作為生物相容性和可吸收的生物材料加以利用，用于生物醫學中的光信號和圖像傳輸。

人類家蠶纖維在光學顯微鏡下看起來像透明的固體圓柱，但彗星蛾毛蟲吐出的單絲具有高度的金屬光澤。彗星蛾纖維含有高密度的納米級纖維狀孔隙，這種纖維表面可引起類似于鏡面的強烈反射，直徑約為50μm，能反射超過70%的可見光，比人類頭發多一倍。相比之下，包括絲織物在內的普通紡織品表面要達到這樣的反射率水平，須將許多透明纖維緊密捆綁一起，使其總厚度達到彗星蛾纖維的10倍。此外，彗星蛾纖維的高反射率遠遠超出一般肉眼能察覺的可見光范圍，甚至延伸到人眼看不見的紅外光譜，紅外光包含約一半的太陽光能。由于這類纖維具有吸收紫外線（UV）的能力，這使其成為阻擋太陽紫外線光的理想材料。

彗星蛾纖維的光導能力是能產生一種稱為“安德森橫向定位”，這也是形成纖維狀空隙的結果：空氣空隙在纖維橫截面中引起強烈的散射光，又具有側射光，但對光沿纖維傳輸沒有影響。

這種模式的引導光在沒有橫面泄漏的材料面上鋪撒開來，與用于海底光纖傳輸光有很大的不同，海底光纖是在纖維核心和包覆層間傳輸，光束是通過光界面反射形成。而在天然材料系統中發現的安德森橫向定位尚屬世界首次。它開辟了光引導、圖像傳輸、光聚焦和生物相容性的潛在應用。

一旦該小組針對彗星蛾纖維進行表征定性，那么他們可著手模擬彗星蛾纖維絲原理，研發出新型纖維，即可創造嵌入式高密度微粒或絲狀空隙纖維。這樣，研究人員即可獲得比天然纖維高出幾倍的空隙：利用單一生物纖維即能反射93%的光。由此，研發出新的仿生纖維：如天然材料與合成聚酯，這一研發可使這種纖維材料應用更廣，且擁有生物相容性，又能規模化生產。

仿生纖維和用于紡織服裝的纖維主要區別在于，仿生纖維含有工程化的納米結構，而傳統的纖維都有堅核。高吞吐量、高產量的纖維紡絲工藝在纖維的微截面上進行結構化工程，即可開辟出嶄新的設計維度，業界甚至可將全新的光學和熱力學原理注入到由這種纖維組成的纖維紡織品中，從而給合成纖維工業帶來一場革命！

人在夏季出汗時，穿的傳統紡織品打濕后呈現半透明狀；而仿生纖維可制作超薄夏裝，這種服裝具有“空調”特性。世界上可制成完全不透明織物的纖維并不多見，而這種纖維的厚度甚至可以比紙張還薄很多。當人們出汗時，這種材料不會呈現半透明狀。這是因為汗液減少了纖維的反射光，空氣界面量也隨之減少，以此可減少普通織物的透明度，但它不會影響嵌入在生物纖維中的納米級空隙，從而實現“空調”的功能。此外，由“多孔”纖維制成的超薄服裝將使汗液蒸發，人體微環境和外部環境間的氣流流通可促進涼爽。因此，衣服也可通過蒸發、對流和冷卻給人最終的涼爽體驗。

該團隊目前正致力于提高生產這種仿生納米結構纖維的能力。其實驗室希望在普通纖維生產的基礎上進行創新，以實現這一目標。他們不想徹底改變整個纖維紡織行業中使用的大型纖維紡絲機，只希望改進關鍵的步驟或部件，使其能大規模生產這類納米結構纖維。