研究人员模仿彗星蛾的丝纤维制作空调面料

由蚕纤维制成的面料长期以来因其美丽的光泽和清爽的凉爽而备受珍视。哥伦比亚工程公司的研究人员发现，由野生蚕蛾(马达加斯加彗星蛾(Argema mittrei))的毛虫生产的纤维在光泽和冷却能力方面要优越得多。彗星蛾的茧纤维不仅具有出色的冷却性能，而且还具有传输光信号和图像的卓越能力。

该团队由应用物理学副教授Nanfang Yu领导，他们描述了与彗星蛾茧纤维中发现的一维纳米结构相关的光学特性。他们对这些纤维的不寻常特性非常着迷，他们开发了一种旋转人造纤维的技术，模仿天然纤维的纳米结构和光学特性。该研究发表于今天的Light：Science&Application。

“彗星蛾纤维是阻挡我们所见过的最佳天然纤维材料。合成具有相似光学性质的纤维可能对合成纤维行业产生重要影响，”纳米光子学专家Yu说。“这些纤维的另一个惊人特性是它们可以引导光信号，甚至可以将简单的图像从光纤的一端传输到另一端。这意味着我们可以将它们用作光学信号和图像的生物相容性和生物可吸收材料。生物医学应用中的运输。“

虽然由我们的家养蚕生产的单根纤维在光学显微镜下看起来像固体透明的圆柱体，但由蛾蛾毛虫纺成的单独的线具有高度金属光泽。彗星蛾纤维含有高密度的纳米级丝状空气空隙，沿着纤维延伸并引起强烈的镜面反射(镜面反射)。具有人类头发厚度的单根纤维，直径约50微米，反射超过70%的可见光。相反，对于包括丝织物在内的普通纺织品而言，要达到这样的反射率水平，必须将多层透明纤维组合在一起，总厚度约为单彗星蛾纤维的10倍。此外，彗星蛾纤维的高反射率远远超出可见光范围，延伸到红外光谱中 - 人眼看不见，但含有大约一半的太阳能。这与纤维吸收紫外线(UV)的能力一起使其成为阻挡阳光的理想选择，阳光中含有紫外线，可见光和红外线成分。

彗星蛾纤维引导光的能力是一种称为横向安德森定位的效应，并且是沿着纤维的丝状空气空隙的结果：空气空隙在光纤横截面中引起强烈的光学散射，提供侧向限制光，但不会阻碍光纤沿光传播。

“这种形式的光导 - 限制光线在一条材料内部传播而没有侧向漏光 - 与通过海底光纤电缆传输光线的方式非常不同，光线限制由在纤维芯和包层之间的边界处反射，“该论文的第一作者和最近从Yu实验室毕业的博士生Norman Shi说道。“这是第一次在天然材料系统中发现横向Anderson定位。我们的发现开辟了在光导，图像传输和光聚焦方面的潜在应用，其中需要生物相容性。”

一旦Yu的团队描述了彗星蛾纤维的特征，他们就开始发明新颖的纤维拉伸方法，模仿彗星蛾毛虫的纤维纺丝机制，以产生嵌入高密度颗粒或丝状空隙的纤维。研究人员获得的空隙密度比天然纤维高出几倍：单一的生物刺激纤维能够反射约93%的阳光。他们使用两种材料生产这些生物激发纤维：天然材料(再生丝，即丝纤维的液体前体)和合成聚合物(聚偏二氟乙烯)。虽然前者适用于需要生物相容性的应用，但后者适用于高产量生产。

“我们的生物刺激纤维与普遍用于纺织品和服装的纤维之间的唯一主要区别在于生物固化纤维含有工程纳米结构，而常规纤维都具有实心纤维，”Yu说。“通过高通量，高产量的纤维纺丝工艺对纤维的微小横截面进行结构工程的能力开辟了设计的新维度 - 我们可以将完全新颖的光学和热力学功能注入到纤维和纺织品中这些纤维。我们可以改变合成纤维行业!“

这些生物刺激纤维可用于制造具有“空调”特性的超薄夏季服装。只需几层纤维就可以制成一种完全不透明的纺织品，这种纺织品只是一张纸的一小部分。然而，当穿着者出汗时，它不会变成半透明的，这是传统纺织品的常见问题。虽然汗液通过减少反射光的纤维 - 空气界面的数量来减少普通织物的不透明性，但它不会影响嵌入生物激发纤维中的纳米级空气空隙。此外，由“多孔”纤维制成的超薄服装将通过汗液蒸发，人体微环境与外部之间的气流以及体热辐射到外部环境的组合来促进冷却。“从而，

马达加斯加彗星蛾是世界上最大的蛾类之一，茧长度为6至10厘米。毛虫在马达加斯加的树冠上制作茧，如果它们的茧没有反光金属光泽的话，它们有充足的阳光可以大大加热蛹。这些非凡的纤维，其丝状空隙可能是自然选择以防止过热的结果，由国际扶贫非政府组织保护主任凯瑟琳克雷格引起了俞的注意。CPALI与马达加斯加的农村农民合作，通过培育和营销本土资源，开发可持续生计，支持人类和生态系统，其中一种产品是由彗星蛾的毛虫生产的纤维。

Yu目前致力于提高生产这种生物激发纳米结构纤维的产量。他的实验室希望通过对工业纤维牵引的通用实践的最小修改来实现这一目标。

“我们不想彻底改变整个行业中使用的那些巨大的纤维纺纱机，”Yu说。“相反，我们希望在一些关键步骤或组件上引入巧妙的曲折，这样这些机器就可以生产纳米结构纤维，而不是固体纤维。”