 
圖為青島即發盛寶紡織有限公司紡織智能生產線正在生產高端纖維。 梁孝鵬攝（新華社發）
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”由玄武巖拉成的細絲織就，代表了纖維材料技術前沿。早在遠古時期，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。與人類社會同步發展的纖維材料，正借助一系列新技術煥發新貌，從縫制衣服的布料演進為服務于衣食住行和生產生活方方面面的先進基礎材料。
一項與人類“同齡”、始終在發展創新的實用技術
纖維材料技術誕生于實用需要。伴隨體毛逐漸退化，人類學會了從亞麻、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，推動了貿易發展與文明交流。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、親膚性和環境友好特性，主要應用于紡織工業。
天然纖維細度和長度不均勻、伸長能力弱，化學纖維技術應運而生。早在1664年，科學家提出設想：對天然高分子或人工合成高分子材料進行加工處理，制成纖維材料。但由于當時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世紀才得以實現。1891年，人造絲（粘膠纖維）首次制造成功，標志著人類開始有能力制造化學纖維。1935年，聚酰胺纖維的發明，開創了合成纖維的歷史。這種纖維材料還有一個人們熟悉的俗稱：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，能經受上萬次彎折而不斷裂，化學穩定性強，是衣物、繩索等的理想材料，在多個領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化學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，以其獨有的特性和優勢，拓寬了纖維材料的應用范圍，不僅在日常生活中扮演著重要角色，還在工業生產中展現出巨大的潛力。
20世紀下半葉，合成纖維材料迎來高速發展時期。隨著人工合成高分子材料的大量涌現和現代高分子科學的進步，高性能纖維作為合成纖維家族的新成員逐漸嶄露頭角。科學家們巧妙利用分子設計、高分子合成與纖維加工技術，創造出一系列性能優異的先進纖維材料。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、輕質和耐高溫特性，直徑只有頭發絲的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等領域大顯身手。又如芳香族聚酰胺纖維（芳綸），以其防彈、防火和耐化學腐蝕的特性，在工業防護和軍事領域有著重要地位。還有超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維，以其極高的強度和優異的耐磨性能，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景變成現實
單就材料性能而言，合成纖維似乎已經到達極限，但科技發展永遠需要想象力。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品，像一位智慧超群的得力助手。隨著材料科學不斷發展并與光學、電磁學、信息技術等其他學科交叉融合，智能纖維材料有望讓科幻場景變成現實。
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、智慧生活等領域發揮重要作用。
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，集無線能量采集、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，無需依賴傳統的芯片和電池，便能實現發光顯示、觸控等人機交互功能，有效簡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，為人與環境的智能交互開辟新的可能，展現了智能纖維材料的廣泛應用前景。未來，智能纖維將在與生產生活各領域的融合發展中，伴隨我們走進更加智能、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、最本質的材料來源上努力實現突破。科學家們將目光投向遙遠的月球，創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，通過高溫熔融和拉絲技術，這些成分可以轉化為具有卓越性能的纖維材料。在地球上，玄武巖纖維以其優異的力學性能、耐腐蝕性、寬廣的工作溫度范圍和低熱導率，成為建筑、交通等領域的重要材料。月壤與地球的玄武巖礦石在成分和性質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，利用月壤拉制的纖維有望成為月球基地建設材料，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行能源開發也許會成為現實，進而打開人類通往宇宙深處的大門。
隨著科技不斷進步，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、物理化學、電子信息、系統科學等多學科知識，不斷創制新型纖維材料，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，以最小能量實現更復雜功能及更高性能，成為新型纖維材料的發展方向。除了性能上的飛躍，未來的纖維材料還將對自然更加友好。基于人類的可持續發展，生物基纖維和生物可降解纖維的創新開發，將為我們解決環境污染問題提供新的思路。
一根根纖維，見證了人類的發展，連接著未來生活。從天然纖維的質樸，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，纖維材料科學已成為多學科交叉的研究前沿，纖維技術也成為現代工業發展的重要組成部分。我們期待，更多先進纖維材料為生產生活帶來便利，為我國產業轉型升級注入動力。（作者：朱美芳）
（作者為中國科學院院士、東華大學材料科學與工程學院院長）
來源：《人民日報》（2024年08月16日 第 20 版） |
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