如何控制微纖維的形態？波蘭科學院物理化學研究所的科學家們找到了方法。得益于這一發現，碳纖維可發揮類似鑷子的作用。

對細如發絲、甚至比人類頭發更纖細的纖維進行可控操控，是一項真正的挑戰。盡管技術不斷進步，要像鑷子一樣精準且可逆地改變微纖維的取向，仍然并非易事。波蘭科學院物理化學研究所的一支跨學科研究團隊，近期開發出一種利用電場控制微纖維形態的方法。這一成果讓我們在微機械與軟體機器人領域，距離全新技術解決方案更近一步。他們發表在《自然?通訊》期刊上的最新研究，首次通過概念驗證證實：材料內部發生的不對稱電化學過程，可以驅動原始碳纖維產生運動。

就在幾十年前，想要可控地制備出橫截面遠小于人類頭發直徑的纖維，還是一項難題。然而，隨著能夠在納米尺度觀測物體的研究技術不斷發展，微型化進程顯著加快，現已開發出多種利用不同材料制備微纖維乃至納米纖維的方法。材料工程與技術進步催生了大量 “智能材料”，它們能夠根據外界刺激按需改變自身性能。智能聚合物可對電、光、熱、溶液 pH 值等多種刺激做出響應，發生顏色、形態等物理化學性質的改變，使其在傳感器、紡織、醫藥等諸多領域極具應用價值。這類智能材料可被設計為僅對特定刺激產生可控響應，在失去刺激后恢復初始狀態。

在智能纖維的制備方面，科研人員已投入大量精力，研發出具備理想形狀與尺寸的材料，可用于電信號驅動的人工肌肉、特定 pH 或溫度條件下的藥物遞送、依靠電化學反應產生運動的微機電系統、在特定波長電磁波照射下工作的光電化學器件等。然而在很多情況下，微纖維或納米纖維需要特殊涂層或結構改性，才能實現可控響應，這使其制備難度大幅提升。在纖維運動的精準操控方面，實用化解決方案仍存在巨大缺口。

近期，在國際合作框架下，由華沙波蘭科學院物理化學研究所(IChF)的沃伊切赫?諾加拉博士(Wojciech Nogala)帶領的研究團隊，在碳纖維精準控制領域取得突破性進展，解決了利用電場操控材料的難題。研究表明，未經修飾的碳纖維可作為微型驅動器，通過電化學手段按需改變形態。

為何選擇碳纖維？碳纖維以其卓越的力學性能而聞名：它不僅比鋼和鋁強度更高、重量更輕，被廣泛用作復合材料增強體，同時還具備獨特的電學性能。

該團隊的核心思路是：將一根微米級直徑的碳纖維放入電化學裝置 —— 具體為雙極電化學池。這種裝置自 20 世紀 70 年代以來，已廣泛應用于生物傳感、電化學反應器與電池領域。研究人員對比了兩種碳纖維：光滑型與非對稱粗糙型。在外加電壓作用下，含有苯醌與氫醌作為氧化還原對的支持電解液中的 Li?、ClO??等離子，會嵌入纖維表面。

有趣的是，原始粗糙纖維的孔道分布存在不對稱性，使其與光滑纖維表現出不同的材料響應。由于離子嵌入過程不對稱，纖維在施加電壓時會發生彎曲；而還原過程則使離子從纖維表面脫出，讓纖維重新恢復到初始位置。換句話說，在足夠電壓作用下，離子在碳纖維中反復嵌入與脫出，可驅動纖維沿特定方向運動，且這一運動可逆。

沃伊切赫?諾加拉博士表示：“我們成功利用閉合雙極電化學池，以無線電化學方式驅動懸空碳纖維運動。纖維天然存在的不對稱溝槽結構形成了不均勻的雙電層，這是產生必要初始不對稱性的關鍵因素之一，進而使纖維產生不對稱的拉伸與收縮。雙極池兩個腔室中同時發生的氧化與還原反應，實現了無線驅動?！?/p>

“我們的研究成果，有望為基于預制不對稱碳纖維的驅動器開辟極具潛力的新方向?！?諾加拉博士評價道。

盡管在該裝置中纖維并未直接與電源相連，但電化學反應仍可發生，即纖維一端發生氧化反應，另一端發生還原反應。纖維的運動幅度同時取決于施加的電壓與纖維自身長度。研究中還可循環施加電壓脈沖，通過改變電壓大小與脈沖持續時間，使纖維反復上下運動，如同微型鑷子一般工作。

該系統不僅可用于單根纖維，還可應用于微型驅動器，適用于各類小型化設備，覆蓋眾多領域的需求 —— 從微機器人中的人工肌肉，到極小尺度下的材料運動控制等。

本研究由波蘭國家科學中心（NCN）資助，項目編號：2022/46/E/ST4/00457。