朱美芳肖像畫。張武昌繪

朱美芳在實(shí)驗(yàn)室。資料圖

朱美芳（右二）與團(tuán)隊(duì)成員在討論實(shí)驗(yàn)中遇到的問題。資料圖

2024年6月，嫦娥六號(hào)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(xì)絲織就，代表了國際纖維材料技術(shù)前沿。早在遠(yuǎn)古時(shí)期，人類就開始利用動(dòng)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(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(chǔ)材料。

從提取天然纖維到合成纖維高速發(fā)展

纖維材料是指具有足夠的細(xì)度（直徑＜100微米）和長徑比（長度/直徑＞1000），具有定向?qū)�向性、可編程性、可柔性加工的物質(zhì)。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(mào)易發(fā)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(yǎng)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(yīng)用于紡織工業(yè)。

天然纖維細(xì)度和長度不均勻、伸長能力弱，化學(xué)纖維技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。早在1664年，科學(xué)家提出設(shè)想：對(duì)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(dāng)時(shí)人們對(duì)纖維的基本結(jié)構(gòu)知之甚少，這一想法直到200多年后的19世紀(jì)才得以實(shí)現(xiàn)。1891年，人造絲（粘膠纖維）首次制造成功，標(biāo)志著人類開始有能力制造化學(xué)纖維。1935年，聚酰胺纖維的發(fā)明，開創(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：尼龍。尼龍的耐磨性是棉花的10倍，強(qiáng)度比棉花高1—2倍、比羊毛高4—5倍，能經(jīng)受上萬次彎折而不斷裂，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，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(jī)二元酸和二元醇通過化學(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。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(dú)有的特性和優(yōu)勢(shì)，拓寬了纖維材料的應(yīng)用范圍，不僅在日常生活中扮演著重要角色，還在工業(yè)生產(chǎn)中展現(xiàn)出巨大的潛力。

20世紀(jì)下半葉，合成纖維材料迎來高速發(fā)展時(shí)期。隨著人工合成高分子材料的大量涌現(xiàn)和現(xiàn)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(shè)計(jì)、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(qiáng)高模纖維，具有高強(qiáng)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(qiáng)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(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(hù)和軍事領(lǐng)域占據(jù)重要地位。還有超高分子量聚乙烯纖維，以其極高的強(qiáng)度和優(yōu)異的耐磨性能，成為高強(qiáng)度繩索的首選。

新型纖維材料的研究應(yīng)用正邁上新臺(tái)階

單就材料性能而言，合成纖維似乎已經(jīng)到達(dá)極限，但科技發(fā)展永遠(yuǎn)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(xiàn)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(yīng)外界環(huán)境的微妙變化。這樣的特性源自其多尺度精細(xì)結(jié)構(gòu)，獨(dú)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(jī)接口電極、能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換設(shè)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(yīng)、可美化的柔性紡織品，在智慧監(jiān)測(cè)、智慧醫(yī)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(jī)制，集無線能量采集、信息感知與傳輸?shù)裙δ苡谝簧�。這種纖維編織成的智能紡織品，無需依賴傳統(tǒng)的芯片和電池，便能實(shí)現(xiàn)發(fā)光顯示、觸控等人機(jī)交互功能，有效簡化可穿戴設(shè)備和智能紡織品的硬件結(jié)構(gòu)，有望解決目前可穿戴設(shè)備“不舒服”的難題。這一突破性成果，為人與環(huán)境的智能交互開辟新的可能，展現(xiàn)了智能纖維材料的廣泛應(yīng)用前景。未來，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、便捷和舒適的未來生活。

在交叉融合以外，新型纖維材料也在最基礎(chǔ)、最本質(zhì)的材料來源上努力實(shí)現(xiàn)突破�？茖W(xué)家們將目光投向遙遠(yuǎn)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(xì)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(shù)，這些成分可以轉(zhuǎn)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(dǎo)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(shè)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(jìn)行能源開發(fā)也許會(huì)成為現(xiàn)實(shí)，進(jìn)而打開人類通往宇宙深處的大門。

隨著科技不斷進(jìn)步，新型纖維材料的研究應(yīng)用正邁上新的臺(tái)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(tǒng)科學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，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(xì)、鏈取向更好、結(jié)構(gòu)缺陷更少，以最小能量實(shí)現(xiàn)更復(fù)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，未來的纖維材料還將對(duì)自然更加友好�；�于人類的可持續(xù)發(fā)展，生物基纖維和生物可降解纖維的創(chuàng)新開發(fā)，將為我們解決環(huán)境污染問題提供新的思路。

服務(wù)國家戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)

由于纖維材料的柔性和多樣化的可加工特性，其應(yīng)用已經(jīng)超越了傳統(tǒng)織物和紡織品，在戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)如人工智能、電子信息、航空航天、新能源、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用。纖維新材料的發(fā)展具有高科技、高效能、高質(zhì)量特征，亟須與物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)和信息技術(shù)等融合，開發(fā)具有高性能、多功能、更智能和可持續(xù)的纖維材料與器件，實(shí)現(xiàn)多功能耦合與雜化，滿足未來產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用需求。隨著基礎(chǔ)研究的發(fā)展和纖維制造技術(shù)的進(jìn)步，中國化纖行業(yè)穩(wěn)步增長，世界上大約70%的合成纖維產(chǎn)自中國。然而，國內(nèi)基礎(chǔ)理論與高性能纖維及其復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍然落后于發(fā)達(dá)國家。一些關(guān)鍵技術(shù)的工業(yè)化仍未解決，因此部分高性能纖維和復(fù)合材料仍然依賴進(jìn)口。纖維材料，特別是高性能、生物基和可持續(xù)纖維材料，在“十四五”規(guī)劃中被列為亟須改進(jìn)和發(fā)展的關(guān)鍵戰(zhàn)略性材料。

與此同時(shí)，人工智能正在影響著每個(gè)人的生活，具有交互式功能的智能纖維被認(rèn)為是下一代纖維。隨著納米技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展進(jìn)步，我們團(tuán)隊(duì)通過有機(jī)—無機(jī)雜化策略，引入多功能基元，設(shè)計(jì)構(gòu)筑跨尺度（包括分子、納米、微米級(jí)）結(jié)構(gòu)，并建立功能耦合和傳遞機(jī)制，將智能功能融入纖維中，以實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換、力學(xué)響應(yīng)和生物兼容性等多種功能�；�于多尺度精細(xì)結(jié)構(gòu)及獨(dú)特的光、電、力、熱、磁性能的一維材料體系成為“F（Functional）+I（Intelligence）+B（Brainy）+E（Electronic）+R（Responsive）”閉環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分�；�于智能纖維的便攜式電子產(chǎn)品、人機(jī)接口電極、能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換設(shè)備可以被編織成可穿戴紡織品，未來將在智慧監(jiān)測(cè)、智慧醫(yī)療、智慧交通、智慧生活等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。

總體而言，纖維制備的挑戰(zhàn)是如何制備具有更細(xì)直徑、更好鏈取向、更少結(jié)構(gòu)缺陷并以最小的能量實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜功能的纖維。纖維科學(xué)已經(jīng)成長為一個(gè)多學(xué)科交叉的研究前沿，纖維技術(shù)也成為影響和引導(dǎo)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展方向的重要技術(shù)領(lǐng)域。纖維材料作為新質(zhì)生產(chǎn)力的典型代表，其發(fā)展目標(biāo)是通過技術(shù)創(chuàng)新和突破，充分利用材料科學(xué)、物理化學(xué)、電子信息、系統(tǒng)科學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，基于耦合和雜化理念，創(chuàng)制纖維新材料，服務(wù)國家戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

一根根纖維，見證了人類的發(fā)展，連接著未來生活。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)革新和發(fā)展，都不斷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(xué)已成為多學(xué)科交叉的研究前沿，纖維技術(shù)也成為現(xiàn)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)生活帶來便利，為中國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)注入強(qiáng)勁動(dòng)力。

（作者為中國科學(xué)院院士，東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長、纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任；長期從事纖維材料的復(fù)合化、功能化和智能化研究，提出并建立了熱塑性聚合物纖維功能化設(shè)計(jì)思路和全流程功能化技術(shù)體系，創(chuàng)建了介觀誘導(dǎo)制備智能纖維的新方法；獲國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、何梁何利科學(xué)與技術(shù)青年創(chuàng)新獎(jiǎng)、全國創(chuàng)新爭先獎(jiǎng)狀等）

中國科協(xié)科學(xué)技術(shù)傳播中心、陳家庚科學(xué)獎(jiǎng)基金會(huì)與本報(bào)合作推出

分享讓更多人看到