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人民日報發(fā)表朱美芳院士署名文章:先進(jìn)纖維材料 織就美好生活
文章來(lái)源: 2024-08-26


  8月16日出版的《人民日報》副刊刊登中國科學(xué)院院士、東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長(cháng)朱美芳署名文章《先進(jìn)纖維材料 織就美好生活》。全文如下:
  2024年6月,嫦娥六號著(zhù)陸器攜帶的五星紅旗在月球背面成功展開(kāi),這一抹亮眼的“中國紅”由玄武巖拉成的細絲織就,代表了纖維材料技術(shù)前沿。早在遠古時(shí)期,人類(lèi)就開(kāi)始利用動(dòng)物皮毛、樹(shù)皮和草葉等天然纖維材料制成衣物抵御寒冷。與人類(lèi)社會(huì )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)基礎材料。
  一項與人類(lèi)“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(lèi)學(xué)會(huì )了從亞麻、棉花、羊毛和蠶絲等動(dòng)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(dòng)了貿易發(fā)展與文明交流。這些天然纖維來(lái)自大自然,從原有材料或人工飼養培植的動(dòng)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,主要應用于紡織工業(yè)。
  天然纖維細度和長(cháng)度不均勻、伸長(cháng)能力弱,化學(xué)纖維技術(shù)應運而生。早在1664年,科學(xué)家提出設想: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。但由于當時(shí)人們對纖維的基本結構知之甚少,這一想法直到200多年后的19世紀才得以實(shí)現。1891年,人造絲(粘膠纖維)首次制造成功,標志著(zhù)人類(lèi)開(kāi)始有能力制造化學(xué)纖維。1935年,聚酰胺纖維的發(fā)明,開(kāi)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(chēng):尼龍。尼龍的耐磨性是棉花的10倍,強度比棉花高1-2倍、比羊毛高4-5倍,能經(jīng)受上萬(wàn)次彎折而不斷裂,化學(xué)穩定性強,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,由有機二元酸和二元醇通過(guò)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(wèn)世。
  除了尼龍、滌綸、丙綸,常見(jiàn)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,以其獨有的特性和優(yōu)勢,拓寬了纖維材料的應用范圍,不僅在日常生活中扮演著(zhù)重要角色,還在工業(yè)生產(chǎn)中展現出巨大的潛力。
  20世紀下半葉,合成纖維材料迎來(lái)高速發(fā)展時(shí)期。隨著(zhù)人工合成高分子材料的大量涌現和現代高分子科學(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??茖W(xué)家們巧妙利用分子設計、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%以上的高強高模纖維,具有高強度、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(chē)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)防護和軍事領(lǐng)域有著(zhù)重要地位。還有超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維,以其極高的強度和優(yōu)異的耐磨性能,成為高強度繩索的首選。
  能感知、可穿戴、應用廣,
  新型纖維材料有望讓科幻場(chǎng)景變成現實(shí)
  單就材料性能而言,合成纖維似乎已經(jīng)到達極限,但科技發(fā)展永遠需要想象力。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(zhù)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(chǎng)景變成現實(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外界環(huán)境的微妙變化。這樣的特性源自其多尺度精細結構,獨特的光、電、力、熱、磁性能,以及柔性功能。由此,便攜式電子產(chǎn)品、人機接口電極、能量存儲和轉換設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、可美化的柔性紡織品,在智慧監測、智慧醫療、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制,集無(wú)線(xiàn)能量采集、信息感知與傳輸等功能于一身。這種纖維編織成的智能紡織品,無(wú)需依賴(lài)傳統的芯片和電池,便能實(shí)現發(fā)光顯示、觸控等人機交互功能,有效簡(jiǎn)化可穿戴設備和智能紡織品的硬件結構,有望解決目前可穿戴設備“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(kāi)辟新的可能,展現了智能纖維材料的廣泛應用前景。未來(lái),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(lái)生活。
  在交叉融合以外,新型纖維材料也在最基礎、最本質(zhì)的材料來(lái)源上努力實(shí)現突破??茖W(xué)家們將目光投向遙遠的月球,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(guò)高溫熔融和拉絲技術(shù),這些成分可以轉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(zhù)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材料,滿(mǎn)足原位取材需求。有了“造房子”的材料,到地球外長(cháng)期居住并進(jìn)行能源開(kāi)發(fā)也許會(huì )成為現實(shí),進(jìn)而打開(kāi)人類(lèi)通往宇宙深處的大門(mén)。
  隨著(zhù)科技不斷進(jìn)步,新型纖維材料的研究應用正邁上新的臺階。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、鏈取向更好、結構缺陷更少,以最小能量實(shí)現更復雜功能及更高性能,成為新型纖維材料的發(fā)展方向。除了性能上的飛躍,未來(lái)的纖維材料還將對自然更加友好?;谌祟?lèi)的可持續發(fā)展,生物基纖維和生物可降解纖維的創(chuàng )新開(kāi)發(fā),將為我們解決環(huán)境污染問(wèn)題提供新的思路。
  一根根纖維,見(jiàn)證了人類(lèi)的發(fā)展,連接著(zhù)未來(lái)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(lèi)生活增添新的色彩,帶來(lái)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(lái)便利,為我國產(chǎn)業(yè)轉型升級注入動(dòng)力。
  來(lái)源:《人民日報》副刊版,2024年8月16日
 
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