В эпоху iPhone, Blackberry и разговаривающих открыток с технической точки зрения кажется несложным вставить записывающее устройство в ярлычок рубашки. Но чтобы сама рубашка выступала в роли микрофона? Где в ее ткани находится тонкая мембрана, способная колебаться? Где металлические проводки, действующие в качестве электродов, которые преобразуют колебания в электрические сигналы? Ответ на это столь же прост, сколь и невероятен: вся рубашка, а точнее, весь ее материал, каждое волоконце рубашки представляет собой микрофон. В буквальном смысле этого слова.
Пьезоэлектрические материалы
Как же это происходит? Начнем с того, что пьезоэлектрические материалы – вещь старая и хорошо знакомая, как разношенная обувь. В частности, они в течение многих лет встраиваются в громкоговорители для передачи высоких частот.
Говоря кратко, в пьезоэлектрических материалах при изменении формы возникают электрические напряжения. Если говорить подробнее, то при направленной деформации пьезоэлектрического материала в его элементарных ячейках возникают микроскопические диполи: в каждой ячейке центр заряда смещается. Сумма электрических полей, возникающих вследствие этого во всех элементарных ячейках кристалла, приводит к возникновению электрического напряжения, измеримого на макроскопическом уровне. Целенаправленная деформация означает, что прилагаемое давление действует на материал не со всех сторон, а, например, лишь с противоположных. И наоборот, действие электрического напряжения может привести к деформации отдельных кристаллов или всего материала.
Сам пьезоэлектрический эффект был открыт братьями Жаком и Пьером Кюри еще в 1880 г., за 82 года до того, как Джеймс Бонд впервые появился на экране. Его название происходит от греческих слов давить (пиезеин) и янтарь (электрон). Но самым известным природным материалом с пьезоэлектрическими характеристиками стал не янтарь, а кварц (SiO2). Он часто применяется для стабилизации частоты в виде пьезокварца. Наряду с ним используется керамика ЦТС (цирконий – титанат – свинец).
Хлопок, конопля и нейлон
Если вы посмотрите на кварцевые часы у себя на запястье, которые содержат пьезокварцы, вы поймете, что кварцы могут быть очень маленькими. То же самое можно сказать и о керамических веществах. Но как превратить кварц или керамику в тканевые волокна? И соткать из них рубашку? Что это будет – тонкая футболка или всего лишь грубая куртка? После того, как лен и конопля веками поставляли длинноволокнистые материалы для самых разных областей применения – от одежды до парусов – они, особенно конопля, в начале XX века были вытеснены синтетическими продуктами из нефти. Например, так любимое спортсменами термобелье сделано из полиамида или полиэфира, а оба они – из нефти. Но как внедрить пьезоэлектрические вещества в любое из этих волокон, будь то хлопок, конопля или нейлон, или как превратить пьезоэлектрики в текстильное волокно? А главное – зачем?
Группа исследователей под руководством Джоэля Финка ответит на этот вопрос, не задумываясь: да потому, что вещества из таких высокотехнологичных волокон могут служить в качестве чувствительных микрофонов. Финк – профессор материаловедения и научный руководитель исследовательской лаборатории электроники в прославленном Массачусетском технологическом институте. В августовском номере журнала Nature Materials он вместе с коллегами описал процесс изготовления и первые эксперименты с новыми «акустическими» волокнами. Эти волокна, чувствительные к давлению, также могут применяться в качестве катетеров для измерения кровяного давления и скорости движения крови в венах, в том числе давления в мозгу. Они позволяют делать это in situ и требуют лишь минимального хирургического вмешательства. Благодаря способности преобразовывать шум в электрический ток, эти волокна могут выступать и в роли акустических «солнечных батарей». Вплетенные в ковры, они могут сигнализировать о проникновении в жилище постороннего, а также о падении пожилого человека в доме престарелых. Не следует забывать о звучащих рубашках и о множестве других возможностей применения.
Выдавливать и вытягивать
Изготовление таких волокон – дело непростое. Чтобы понять, какие проблемы пришлось решать Финку и его исследовательской группе, вначале рассмотрим «классическое» производство синтетических волокон. Изготовление большинства из них протекает в два этапа: пластическая масса, расплавленная или каким-то иным образом приведенная в жидкое состояние, выдавливается через форсунку с одним или несколькими отверстиями достаточно малого диаметра. Выходящие из отверстий волокна охлаждаются, а затем вытягиваются в длину. При изготовлении нейлона благодаря заключительному вытягиванию (или вытяжке, как выражаются специалисты) длина нити увеличивается на 400-1200% по сравнению с первоначальной. Во время вытяжки возникающая нейлоновая нить меняет структуру, в процессе чего полимерные цепочки располагаются вдоль оси волокна. Лишь благодаря этому механическому изменению материала нейлон приобретает свою прославленную стойкость на разрыв и на растяжение, а также эластичность. Именно вытяжка стала основной проблемой для специалистов Массачусетского института.
Многокомпонентное волокно
Разработанное ими волокно приобретает свои функции за счет особой формы и сочетания разных материалов, а также их заключительной обработки сильным электрическим полем. Вначале изготавливается основа акустического волокна: на подложку из прозрачного поликарбоната, играющего роль световода, наносится слой пьезоэлектрического вещества, которое обычно применяется в микрофонах. В процессе этого на одной стороне оказываются атомы фтора, а на другой – водорода. Именно благодаря асимметричному расположению атомов фтора и водорода материал реагирует изменением напряжения на механическое давление, и изменением толщины на действие электрического поля.
Но ведь этот пьезоэлектрический материал не только подвергается действию электрического напряжения. Он и сам при деформации генерирует напряжение, которое нужно измерять. С этой целью в него обязательно нужно встроить электроды. Однако вытяжка слишком сильно деформирует металлические электроды, которые обычно для этого применяются. Именно поэтому на обе стороны пьезоэлектрической оболочки волокна наносится тонкий слой токопроводящего полимера на основе графита, который одновременно повышает стабильность. И, наконец, в качестве внешнего покрытия вновь используется обычный поликарбонат. В самый внутренний и самый внешний слой вводится по одному тонкому электроду из индия, при этом оба они примыкают к графитовому полимеру. С их помощью можно посылать электрические импульсы на пьезоэлектрический слой, а также принимать и измерять его сигналы. Состоящая из четырех компонентов заготовка волокна, благодаря своей вязкости, сохраняет требуемую форму не только самого волокна, но и графитового слоя, выступающего в роли электрода. Потому что слишком сильное смещение атомов фтора и водорода привело бы к тому, что волокно потеряло свои пьезоэлектрические свойства.
Что хорошо для нейлона…
Именно то, что привело нейлон к выбору в качества материала для искусственных чулок – значительное увеличение длины волокна и его прочности на разрыв под действием вытяжки – стало камнем преткновения при изготовлении акустических волокон. В конце концов, электропроводная оболочка обеспечила равномерную толщину волокна. Поэтому обязательным требованием для последней рабочей операции стало следующее: после вытяжки пьезоэлектрические молекулы должны были сохранять свою ориентацию. Это достигалось действием сильного электрического поля на внутреннюю часть волокна. Слишком узкие участки волокна, где электроды почти вплотную сближались друг с другом, могли приводить к возникновению крошечной электрической дуги, отчего материал в этих местах мог выгорать. Однако заключительные тесты показали, что четырехкомпонентное волокно при вытяжке – и соответствующем уменьшении диаметра – оставалось стабильным и равномерным.
Получилось!
Все технологические муки окупились сторицей. «Эти волокна действительно можно слышать, - говорит Ноэми Чоукат, соавтор изобретения и член исследовательской группы Финка. – Если привести их в колебание посредством слышимых звуковых частот и поднести к уху, можно услышать, как они издают разные ноты, или тоны».
Разумеется, лабораторные тесты были гораздо жестче этого любительского испытания. Точнее сказать, они должны были однозначно определить свойства многокомпонентного волокна. Так как вода проводит звук лучше, чем воздух, то искусственные волокна поместили в сосуд с водой, напротив подводного звукового преобразователя. После этого ученые измерили как колебания, которые возникают в преобразователе при подаче напряжения на волокно, так и напряжение в волокне под действием звуков, испускаемых преобразователем. При этом ожидаемые акустические и пьезоэлектрические свойства акустических волокон подтвердились в диапазоне от килогерц до мегагерц.
Так как поликарбонат, выступающий в качестве сердцевины нового искусственного волокна, может использоваться и в качестве световода, то любая деформация пьезоэлектрического слоя в виде расширения или сжатия влияет и на проходящие по нему оптические волны. Но это волокно оказалось проще использовать в том случае, когда оно генерирует измеримые колебания электрического напряжения под действием механической деформации, например, с помощью акустических волн.
Помимо описанных выше примеров, ткани, изготовленные из таких волокон, можно было бы использовать для строительства больших сонаров или регистрации течений в океане. И наоборот, можно использовать и противоположный принцип, когда волокна превращаются в элемент вибрации под действием колебаний подаваемого электрического напряжения. Создание этого стало бы «второй важной вехой на пути к многофункциональным волокнам», утверждают ученые под руководством Джоэля Финка, которые намерены освоить всю многогранность новых волокон. Они уже начали работу над включением в синтетическое волокно веществ, чувствительных к теплу и свету.
Акустические волокна в качестве будущего микрофона слухового аппарата
О замене обычных микрофонов, используемых в слуховых аппаратах, на «слышащую ткань», которая будет покрывать переднюю или всю верхнюю часть тела, речь пока не идет. Хотя в принципе вполне возможно, что акустические волокна когда-нибудь вытеснят микрофон из СА. Это привело бы к еще большей миниатюризации, к созданию еще более маленьких и незаметных заушных и внутриушных СА.
Но нужно ли это? И возможно ли с технической точки зрения? Потому что изменения напряжения в волокне, т.е. акустический сигнал, должен каким-то образом попадать в процессор СА. Следующий вопрос – насколько устойчивым будет тончайшее, желательно невидимое соединение между одним или несколькими наружными волоконными микрофонами? Потому что даже самый, с позволения сказать, невидимый микрофон и самый маленький слуховой аппарат в ухе окажутся бесполезными, если их придется соединить хорошо заметным кабелем, который в первую очередь должен быть стабильным. И, наконец, есть третий вопрос, на который придется ответить создателям этой техники: смогут ли клиенты, преимущественно пенсионного возраста, справиться с этой сложнейшей техникой? Ведь эта группа клиентов не отличается ни особым знанием техники, ни повышенной ловкостью пальцев.
Не исключено и военное применение пьезоэлектрических волокон. Об этом свидетельствует поддержка, которую оказывают исследовательской группе Институт военных нанотехнологий и Агентство исследовательских проектов Министерства обороны – правительственные организации США.
Невзирая на все вышеперечисленные возможности медицинского или военного применения, ученые под руководством Джоэля Финка уже выбрали для себя следующую цель: создание акустического волокна с теми же самыми пьезоэлектрическими свойствами, которое будет состоять всего из одного слоя.
Михаэль Данке
