如何控制微纤维的形态？波兰科学院物理化学研究所的科学家们找到了方法。得益于这一发现，碳纤维可发挥类似镊子的作用。
拍摄地点：华沙泉寿司 Mokotowska 店 摄影:Grzegorz Krzyzewski
对细如发丝、甚至比人类头发更纤细的纤维进行可控操控，是一项真正的挑战。尽管技术不断进步，要像镊子一样精准且可逆地改变微纤维的取向，仍然并非易事。波兰科学院物理化学研究所的一支跨学科研究团队，近期开发出一种利用电场控制微纤维形态的方法。这一成果让我们在微机械与软体机器人领域，距离全新技术解决方案更近一步。他们发表在《自然・通讯》期刊上的最新研究，首次通过概念验证证实：材料内部发生的不对称电化学过程，可以驱动原始碳纤维产生运动。
就在几十年前，想要可控地制备出横截面远小于人类头发直径的纤维，还是一项难题。然而，随着能够在纳米尺度观测物体的研究技术不断发展，微型化进程显著加快，现已开发出多种利用不同材料制备微纤维乃至纳米纤维的方法。材料工程与技术进步催生了大量 “智能材料”，它们能够根据外界刺激按需改变自身性能。智能聚合物可对电、光、热、溶液 pH 值等多种刺激做出响应，发生颜色、形态等物理化学性质的改变，使其在传感器、纺织、医药等诸多领域极具应用价值。这类智能材料可被设计为仅对特定刺激产生可控响应，在失去刺激后恢复初始状态。
在智能纤维的制备方面，科研人员已投入大量精力，研发出具备理想形状与尺寸的材料，可用于电信号驱动的人工肌肉、特定 pH 或温度条件下的药物递送、依靠电化学反应产生运动的微机电系统、在特定波长电磁波照射下工作的光电化学器件等。然而在很多情况下，微纤维或纳米纤维需要特殊涂层或结构改性，才能实现可控响应，这使其制备难度大幅提升。在纤维运动的精准操控方面，实用化解决方案仍存在巨大缺口。
近期，在国际合作框架下，由华沙波兰科学院物理化学研究所(IChF)的沃伊切赫・诺加拉博士(Wojciech Nogala)带领的研究团队，在碳纤维精准控制领域取得突破性进展，解决了利用电场操控材料的难题。研究表明，未经修饰的碳纤维可作为微型驱动器，通过电化学手段按需改变形态。
为何选择碳纤维？碳纤维以其卓越的力学性能而闻名：它不仅比钢和铝强度更高、重量更轻，被广泛用作复合材料增强体，同时还具备独特的电学性能。
该团队的核心思路是：将一根微米级直径的碳纤维放入电化学装置 —— 具体为双极电化学池。这种装置自 20 世纪 70 年代以来，已广泛应用于生物传感、电化学反应器与电池领域。研究人员对比了两种碳纤维：光滑型与非对称粗糙型。在外加电压作用下，含有苯醌与氢醌作为氧化还原对的支持电解液中的 Li⁺、ClO₄⁻等离子，会嵌入纤维表面。
有趣的是，原始粗糙纤维的孔道分布存在不对称性，使其与光滑纤维表现出不同的材料响应。由于离子嵌入过程不对称，纤维在施加电压时会发生弯曲；而还原过程则使离子从纤维表面脱出，让纤维重新恢复到初始位置。换句话说，在足够电压作用下，离子在碳纤维中反复嵌入与脱出，可驱动纤维沿特定方向运动，且这一运动可逆。
沃伊切赫・诺加拉博士表示：“我们成功利用闭合双极电化学池，以无线电化学方式驱动悬空碳纤维运动。纤维天然存在的不对称沟槽结构形成了不均匀的双电层，这是产生必要初始不对称性的关键因素之一，进而使纤维产生不对称的拉伸与收缩。双极池两个腔室中同时发生的氧化与还原反应，实现了无线驱动。”
“我们的研究成果，有望为基于预制不对称碳纤维的驱动器开辟极具潜力的新方向。” 诺加拉博士评价道。
尽管在该装置中纤维并未直接与电源相连，但电化学反应仍可发生，即纤维一端发生氧化反应，另一端发生还原反应。纤维的运动幅度同时取决于施加的电压与纤维自身长度。研究中还可循环施加电压脉冲，通过改变电压大小与脉冲持续时间，使纤维反复上下运动，如同微型镊子一般工作。
该系统不仅可用于单根纤维，还可应用于微型驱动器，适用于各类小型化设备，覆盖众多领域的需求 —— 从微机器人中的人工肌肉，到极小尺度下的材料运动控制等。
本研究由波兰国家科学中心（NCN）资助，项目编号：2022/46/E/ST4/00457。