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 蚕丝织物因其色泽艳丽、清爽凉快而倍受珍视。哥伦比亚工程研究人员发现，一种野生蚕蛾毛虫，即马达加斯加彗星蛾（Argemamittrei）产生的纤维，在光泽度和冷却能力方面非常优越。彗星蛾的茧纤维不仅具有优异的冷却性能，而且具有传输光信号和图像的特殊能力。

马达加斯加彗星蛾茧纤维具有金属光泽。（图像：Norman Shi和Nanfang Yu /哥伦比亚工程）

      这个科研小组由应用物理学副教授Nanfang Yu领导，研究小组在彗星蛾茧纤维中发现与一维纳米结构相关的光学特性。他们对这些纤维不同寻常的特性非常着迷，由此开发了一种自旋人造纤维技术，它可以模仿天然纤维的纳米结构和光学特性。

      这项研究发表在今日之光：《科学和应用》杂志上，（“纳米结构纤维作为一个多功能光子平台：通过横向乔林定位辐射冷却和波导）("Nanostructured fibers as a versatile photonic platform: Radiative cooling and waveguiding through transverse Anderson localization")。

      “彗星蛾纤维是最好的天然纤维材料，可以阻挡可见光。类似的合成纳米纤维具有相似的的光学特性，这对对合成纤维工业具有重要意义，”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，甚至可以将简单图像从光纤一端传输到另一端。这意味着我们可以将它们作为生物相容性和可生物吸收的材料，用于生物医学应用中的光信号和图像传输。

      我们的家蚕产生的纤维在光学显微镜下看起来像透明的固体圆柱，但是由彗星蛾毛虫纺出的单丝线具有高度的金属光泽。彗星蛾纤维含有高密度的纳米纤维状空隙，它们沿着纤维分布，并引起强烈的镜面反射。

      这种天然纤维厚度约为50微米，是人类头发的一倍，可反射超过70%的可见光。相比之下，对于包括丝织物在内的普通纺织品，为了达到这样的反射率水平，人们必须将许多透明纤维放在一起，使其总厚度达到彗星蛾纤维的10倍。

模拟彗星蛾茧纤维光学性质的人造纤维扫描电子显微照片。顶行：含有高密度丝状空隙的再生丝制成的合成纤维横向和纵向横截面。底行：含有高密度丝状空隙的PVDF（聚偏二氟乙烯）纤维的相应图像。（图像：Norman Shi和Nanfang Yu /哥伦比亚工程）

      彗星蛾纤维引导光的能力是一种称为横向乔林定位的效果，也是纤维沿纤维状空隙的结果：空气空隙在纤维横截面中引起强烈的光散射，提供侧向限制光，但对光沿纤维传播没有障碍。

      这种导光限制光在没有横向光泄漏的材料内部传播，与通过海底光纤传输的光传输有很大的不同，在一个纤维核心和一个包覆层之间，光限制是通过边界处的反射提供的。最近从Yu实验室毕业的博士生Norman Shi说。这是首次在天然材料系统中发现横向乔林定位。我们的发现开辟了光引导，图像传输，光聚焦和生物相容性的潜在应用。

      一旦Yu的团队对彗星蛾纤维进行了表征，他们就着手发明新的纤维牵引方法来模拟彗星蛾卡特彼勒纤维纺丝机制，以产生嵌入高密度的微粒或丝状空隙纤维。研究人员获得了比天然纤维高出几倍的空隙：单一的生物启发纤维能够反射93%的阳光。他们使用两种材料生产了这些仿生纤维：天然材料（再生丝，即丝纤维的液体前驱体）和合成聚合物（聚偏二氟乙烯）。显然前者适合于需要生物相容性的应用，后者适合于高通量生产。

      Yu说：“我们的仿生纤维和用于纺织服装的纤维主要区别在于，生物仿生纤维含有工程化的纳米结构，而传统的纤维都有一个坚实的核心。”通过高通量、高产量的纤维纺丝工艺在纤维的微小截面上，进行结构工程的能力开辟了一个新的设计维度，我们可以将全新的光学和热力学功能注入到由这种纤维组成的纤维和纺织品中。我们甚至可以改造合成纤维工业。

      这些仿生纤维可用于制作超薄夏装，这种服装具有“空调”特性。只有几层纤维可以制成一种完全不透明的织物，它的厚度甚至只是是一张纸的一小部分。当人们出汗时，这种材料不会变成半透明的，这是传统纺织品的常见问题。汗液减少反射光的纤维-空气界面的数量，以此来减少普通织物的不透明度，但它不会影响嵌入在生物启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、人体微环境和外部环境之间的气流以及身体对外界环境的辐射来促进冷却。“因此，你的衣服可以通过蒸发、对流和辐射冷却的集体效应给你最终的冷却体验，” Yu补充说。

      马达加斯加彗星蛾是世界上最大的一种蛾，茧长6～10厘米。毛虫在马达加斯加的树冠上制造茧，如果它们的茧不具有反射性的金属光泽，那么马达加斯加充足的阳光会极大地加热蛹。这些非同寻常的纤维，丝状的空气空隙可能是自然选择以防止蚕蛹过热的结果，这个发现是国际扶贫非政府组织主任Catherine Craig得出的。CPALI与马达加斯加的农民合作，通过培育和销售本土资源来获得可持续发展，其中一种产品是由蛾毛虫产生的纤维。

      Yu目前正在致力于提高生产这种仿生纳米结构纤维的能力。他的实验室希望通过对工业纤维生产的普遍做法进行微小修改来实现这一目标。

      “我们不想彻底改变那些在整个行业中使用的巨型纤维纺丝机，”Yu说。相反，我们希望把一些关键的步骤或部件进行改变，使这些机器能够产生纳米结构纤维。