用拟彗星蛾丝纤维做成的“空调”织物

文/杨雅梅

马达加斯加彗星蛾是世界上最大的一种飞蛾，茧长6～10厘米。先期毛虫在树冠上做茧。其茧若不具有反射性的金属光泽，那么马达加斯加充足的光照会使蛹虫无法忍受极大的热力。为了顺应这类气候，这种飞蛾因此创造了非同寻常的纤维，丝状的空气空隙是防过热的自然选择结果。这个研究结果原本是国际扶贫非政府组织（CPALI）研究得出的。他们曾与马达加斯加的农民合作，通过培育和销售本土资源促使当地获得可持续性发展，其中的项目之一就是蛾毛虫纤维的研发。

随后，哥伦比亚一工程研究小组在探索马达加斯加彗星蛾茧纤维光学特性时，发现了其反射太阳光和传输光学信号和图像的卓越能力，他们因此模仿其天然纤维的结构和光学特性，开发出一种人造纺织纤维的方法。

最初他们发现，一种称为野生蚕蛾的毛虫能吐丝，即马达加斯加彗星蛾（Argemamittrei）纤维，这种丝在光泽度和散热方面非常优越。彗星蛾纤维不仅具有优异的冷却性能，而且还具有传输光信号和图像的特殊能力。

这个科研小组在彗星蛾纤维中发现与纳米结构相关的光学特性。他们对这种纤维不同寻常的特性非常着迷，因而开发出一种技术，称其为自旋式人造纤维工艺，它可模仿天然纤维的纳米结构和光学特性。这项研究已发表在美国《光科学与应用》期刊上。该项目带头人认为，彗星蛾纤维是阻挡可见光最好的天然纤维材料。类似的合成纳米纤维具有相似的光学特性，这对合成纤维行业具有重要意义。这类纤维的另一惊人特性是，它可引导光信号，甚至可将简单图像从光纤一端传输到另一端。这意味着人类可将其作为生物相容性和可吸收的生物材料加以利用，用于生物医学中的光信号和图像传输。

人类家蚕纤维在光学显微镜下看起来像透明的固体圆柱，但彗星蛾毛虫吐出的单丝具有高度的金属光泽。彗星蛾纤维含有高密度的纳米级纤维状孔隙，这种纤维表面可引起类似于镜面的强烈反射，直径约为50μm，能反射超过70%的可见光，比人类头发多一倍。相比之下，包括丝织物在内的普通纺织品表面要达到这样的反射率水平，须将许多透明纤维紧密捆绑一起，使其总厚度达到彗星蛾纤维的10倍。此外，彗星蛾纤维的高反射率远远超出一般肉眼能察觉的可见光范围，甚至延伸到人眼看不见的红外光谱，红外光包含约一半的太阳光能。由于这类纤维具有吸收紫外线（UV）的能力，这使其成为阻挡太阳紫外线光的理想材料。

彗星蛾纤维的光导能力是能产生一种称为“安德森横向定位”，这也是形成纤维状空隙的结果：空气空隙在纤维横截面中引起强烈的散射光，又具有侧射光，但对光沿纤维传输没有影响。

这种模式的引导光在没有横面泄漏的材料面上铺撒开来，与用于海底光纤传输光有很大的不同，海底光纤是在纤维核心和包覆层间传输，光束是通过光界面反射形成。而在天然材料系统中发现的安德森横向定位尚属世界首次。它开辟了光引导、图像传输、光聚焦和生物相容性的潜在应用。

一旦该小组针对彗星蛾纤维进行表征定性，那么他们可着手模拟彗星蛾纤维丝原理，研发出新型纤维，即可创造嵌入式高密度微粒或丝状空隙纤维。这样，研究人员即可获得比天然纤维高出几倍的空隙：利用单一生物纤维即能反射93%的光。由此，研发出新的仿生纤维：如天然材料与合成聚酯，这一研发可使这种纤维材料应用更广，且拥有生物相容性，又能规模化生产。

仿生纤维和用于纺织服装的纤维主要区别在于，仿生纤维含有工程化的纳米结构，而传统的纤维都有坚核。高吞吐量、高产量的纤维纺丝工艺在纤维的微截面上进行结构化工程，即可开辟出崭新的设计维度，业界甚至可将全新的光学和热力学原理注入到由这种纤维组成的纤维纺织品中，从而给合成纤维工业带来一场革命！

人在夏季出汗时，穿的传统纺织品打湿后呈现半透明状；而仿生纤维可制作超薄夏装，这种服装具有“空调”特性。世界上可制成完全不透明织物的纤维并不多见，而这种纤维的厚度甚至可以比纸张还薄很多。当人们出汗时，这种材料不会呈现半透明状。这是因为汗液减少了纤维的反射光，空气界面量也随之减少，以此可减少普通织物的透明度，但它不会影响嵌入在生物纤维中的纳米级空隙，从而实现“空调”的功能。此外，由“多孔”纤维制成的超薄服装将使汗液蒸发，人体微环境和外部环境间的气流流通可促进凉爽。因此，衣服也可通过蒸发、对流和冷却给人最终的凉爽体验。

该团队目前正致力于提高生产这种仿生纳米结构纤维的能力。其实验室希望在普通纤维生产的基础上进行创新，以实现这一目标。他们不想彻底改变整个纤维纺织行业中使用的大型纤维纺丝机，只希望改进关键的步骤或部件，使其能大规模生产这类纳米结构纤维。