 
圖為青島即發(fā)盛寶紡織有限公司紡織智能生產(chǎn)線正在生產(chǎn)高端纖維。 梁孝鵬攝（新華社發(fā)）
2024年6月，嫦娥六號著陸器攜帶的五星紅旗在月球背面成功展開，這一抹亮眼的“中國紅”由玄武巖拉成的細(xì)絲織就，代表了纖維材料技術(shù)前沿。早在遠(yuǎn)古時(shí)期，人類就開始利用動物皮毛、樹皮和草葉等天然纖維材料制成衣物抵御寒冷。與人類社會同步發(fā)展的纖維材料，正借助一系列新技術(shù)煥發(fā)新貌，從縫制衣服的布料演進(jìn)為服務(wù)于衣食住行和生產(chǎn)生活方方面面的先進(jìn)基礎(chǔ)材料。
一項(xiàng)與人類“同齡”、始終在發(fā)展創(chuàng)新的實(shí)用技術(shù)
纖維材料技術(shù)誕生于實(shí)用需要。伴隨體毛逐漸退化，人類學(xué)會了從亞麻、棉花、羊毛和蠶絲等動植物中提取纖維，將其精制成更為柔軟和耐用的布料。在古印度，棉花被織成布料，由此傳遍世界各地；古埃及人用亞麻制作衣物；中國的絲綢不僅實(shí)用與美感兼具，也以此為紐帶形成了溝通世界的絲綢之路，推動了貿(mào)易發(fā)展與文明交流。這些天然纖維來自大自然，從原有材料或人工飼養(yǎng)培植的動植物身上直接取得，普遍具有較好的吸濕性、透氣性、親膚性和環(huán)境友好特性，主要應(yīng)用于紡織工業(yè)。
天然纖維細(xì)度和長度不均勻、伸長能力弱，化學(xué)纖維技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。早在1664年，科學(xué)家提出設(shè)想：對天然高分子或人工合成高分子材料進(jìn)行加工處理，制成纖維材料。但由于當(dāng)時(shí)人們對纖維的基本結(jié)構(gòu)知之甚少，這一想法直到200多年后的19世紀(jì)才得以實(shí)現(xiàn)。1891年，人造絲（粘膠纖維）首次制造成功，標(biāo)志著人類開始有能力制造化學(xué)纖維。1935年，聚酰胺纖維的發(fā)明，開創(chuàng)了合成纖維的歷史。這種纖維材料還有一個(gè)人們熟悉的俗稱：尼龍。尼龍的耐磨性是棉花的10倍，強(qiáng)度比棉花高1—2倍、比羊毛高4—5倍，能經(jīng)受上萬次彎折而不斷裂，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，是衣物、繩索等的理想材料，在多個(gè)領(lǐng)域迅速取代天然纖維。緊隨其后，由有機(jī)二元酸和二元醇通過化學(xué)縮聚得到的合成高分子制成的聚酯纖維（滌綸）、以石油精煉副產(chǎn)物丙烯為原料制成的聚丙烯纖維（丙綸）等合成纖維相繼問世。
除了尼龍、滌綸、丙綸，常見的合成纖維還有腈綸、氯綸、維綸、氨綸和聚烯烴彈力絲，等等。這些纖維材料均由合成的高分子化合物制成，就像自然界中的新物種，以其獨(dú)有的特性和優(yōu)勢，拓寬了纖維材料的應(yīng)用范圍，不僅在日常生活中扮演著重要角色，還在工業(yè)生產(chǎn)中展現(xiàn)出巨大的潛力。
20世紀(jì)下半葉，合成纖維材料迎來高速發(fā)展時(shí)期。隨著人工合成高分子材料的大量涌現(xiàn)和現(xiàn)代高分子科學(xué)的進(jìn)步，高性能纖維作為合成纖維家族的新成員逐漸嶄露頭角。科學(xué)家們巧妙利用分子設(shè)計(jì)、高分子合成與纖維加工技術(shù)，創(chuàng)造出一系列性能優(yōu)異的先進(jìn)纖維材料。比如，碳纖維是一種含碳量在90%以上的高強(qiáng)高模纖維，具有高強(qiáng)度、輕質(zhì)和耐高溫特性，直徑只有頭發(fā)絲的1/10至1/12，強(qiáng)度卻是鋁合金的4倍以上，在航空航天、體育器材和高鐵汽車等領(lǐng)域大顯身手。又如芳香族聚酰胺纖維（芳綸），以其防彈、防火和耐化學(xué)腐蝕的特性，在工業(yè)防護(hù)和軍事領(lǐng)域有著重要地位。還有超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維，以其極高的強(qiáng)度和優(yōu)異的耐磨性能，成為高強(qiáng)度繩索的首選。
能感知、可穿戴、應(yīng)用廣，新型纖維材料有望讓科幻場景變成現(xiàn)實(shí)
單就材料性能而言，合成纖維似乎已經(jīng)到達(dá)極限，但科技發(fā)展永遠(yuǎn)需要想象力。在不少科幻電影里，人們身上的衣服不僅可以“七十二變”，還集成了各種電子產(chǎn)品，像一位智慧超群的得力助手。隨著材料科學(xué)不斷發(fā)展并與光學(xué)、電磁學(xué)、信息技術(shù)等其他學(xué)科交叉融合，智能纖維材料有望讓科幻場景變成現(xiàn)實(shí)。
智能纖維材料集成傳感器和各種功能材料，能夠敏銳感知并響應(yīng)外界環(huán)境的微妙變化。這樣的特性源自其多尺度精細(xì)結(jié)構(gòu)，獨(dú)特的光、電、力、熱、磁性能，以及柔性功能。由此，便攜式電子產(chǎn)品、人機(jī)接口電極、能量存儲和轉(zhuǎn)換設(shè)備等都能夠集成于纖維狀智能材料，并被編織成可穿戴、可響應(yīng)、可美化的柔性紡織品，在智慧監(jiān)測、智慧醫(yī)療、智慧交通、智慧生活等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
以一種新型“不插電”智能纖維為例，它基于與人體相匹配的能量交互機(jī)制，集無線能量采集、信息感知與傳輸?shù)裙δ苡谝簧怼＿@種纖維編織成的智能紡織品，無需依賴傳統(tǒng)的芯片和電池，便能實(shí)現(xiàn)發(fā)光顯示、觸控等人機(jī)交互功能，有效簡化可穿戴設(shè)備和智能紡織品的硬件結(jié)構(gòu)，有望解決目前可穿戴設(shè)備“不舒服”的難題。這一突破性成果，為人與環(huán)境的智能交互開辟新的可能，展現(xiàn)了智能纖維材料的廣泛應(yīng)用前景。未來，智能纖維將在與生產(chǎn)生活各領(lǐng)域的融合發(fā)展中，伴隨我們走進(jìn)更加智能、便捷和舒適的未來生活。
在交叉融合以外，新型纖維材料也在最基礎(chǔ)、最本質(zhì)的材料來源上努力實(shí)現(xiàn)突破。科學(xué)家們將目光投向遙遠(yuǎn)的月球，創(chuàng)制一種神奇的纖維材料——月壤纖維。月壤，這層覆蓋在月球表面的神秘面紗，由細(xì)小的巖石、礦物顆粒和微小的玻璃珠組成。它的主要成分包括硅酸鹽、氧化物和少量金屬元素，通過高溫熔融和拉絲技術(shù)，這些成分可以轉(zhuǎn)化為具有卓越性能的纖維材料。在地球上，玄武巖纖維以其優(yōu)異的力學(xué)性能、耐腐蝕性、寬廣的工作溫度范圍和低熱導(dǎo)率，成為建筑、交通等領(lǐng)域的重要材料。月壤與地球的玄武巖礦石在成分和性質(zhì)上有著驚人的相似之處。借鑒地球上玄武巖纖維的制備技術(shù)，利用月壤拉制的纖維有望成為月球基地建設(shè)材料，滿足原位取材需求。有了“造房子”的材料，到地球外長期居住并進(jìn)行能源開發(fā)也許會成為現(xiàn)實(shí)，進(jìn)而打開人類通往宇宙深處的大門。
隨著科技不斷進(jìn)步，新型纖維材料的研究應(yīng)用正邁上新的臺階。目前，科研工作者正充分利用材料科學(xué)、物理化學(xué)、電子信息、系統(tǒng)科學(xué)等多學(xué)科知識，不斷創(chuàng)制新型纖維材料，賦予其前所未有的性能和功能。直徑更細(xì)、鏈取向更好、結(jié)構(gòu)缺陷更少，以最小能量實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜功能及更高性能，成為新型纖維材料的發(fā)展方向。除了性能上的飛躍，未來的纖維材料還將對自然更加友好。基于人類的可持續(xù)發(fā)展，生物基纖維和生物可降解纖維的創(chuàng)新開發(fā)，將為我們解決環(huán)境污染問題提供新的思路。
一根根纖維，見證了人類的發(fā)展，連接著未來生活。從天然纖維的質(zhì)樸，到合成纖維的多樣，再到智能纖維的奇妙，纖維材料每一次技術(shù)革新，都在為人類生活增添新的色彩，帶來新的驚喜。如今，纖維材料科學(xué)已成為多學(xué)科交叉的研究前沿，纖維技術(shù)也成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的重要組成部分。我們期待，更多先進(jìn)纖維材料為生產(chǎn)生活帶來便利，為我國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級注入動力。（作者：朱美芳）
（作者為中國科學(xué)院院士、東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長）
來源：《人民日報(bào)》（2024年08月16日 第 20 版） |
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