《Nature Communications》：Structured liquid-based reconfigurable all-liquid optical fibers
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为解决传统石英光纤易碎、难修复且缺乏可重构性的问题，研究人员开展了基于结构化液体的可重构全液体光导纤维（RAOF）研究。该研究利用纳米颗粒表面活性剂（NPSs）在油水界面的自组装与阻塞，实现了全液体3D打印，成功制备出具有结构稳定性的RAOF。研究结果表明，RAOF支持高达1 Gbps的实时通信，并具备自愈合与按需重构能力，为动态环境下的光通信系统提供了创新解决方案。
在信息时代，光导纤维是长距离通信的基石，它们通过全内反射将光信号限制在高折射率（Refractive Index, RI）的纤芯内进行传输。然而，目前主流的石英光纤虽然性能优异，却存在一个致命的弱点：它们像玻璃一样易碎。一旦断裂，修复过程复杂且成本高昂，尤其是在水下通信（Underwater Communication, UWC）等动态环境中，这种脆性极大地限制了其应用。此外，传统光纤的几何形状一旦制造完成就固定不变，无法根据需求进行动态重构，这阻碍了其在柔性、可编程光计算芯片等前沿领域的应用。
为了克服这些障碍，科学家们曾尝试开发软性光纤，例如在聚合物外壳中填充液体或使用水凝胶。虽然这些光纤具备一定的柔韧性，但其制造过程复杂，且本质上仍是固体结构，难以实现真正的自愈合和拓扑结构重构。另一种思路是制造全液体光纤，即利用液体射流在空气中形成光波导。然而，这种光纤极不稳定，容易受到扰动而断裂，且难以将光信号与空气隔离开来，因此距离实际应用还很遥远。
面对这一挑战，来自香港城市大学、清华大学深圳国际研究生院、中国科学院理化技术研究所等机构的研究团队另辟蹊径，将目光投向了“结构化液体”。他们设想，能否利用液体固有的流动性和自愈合特性，同时通过某种方式赋予其结构稳定性，从而创造出一种兼具固体结构稳定性和液体柔韧性的新型光导纤维？
近日，该团队在《Nature Communications》杂志上发表了一项突破性研究，成功开发出一种可重构全液体光导纤维（Reconfigurable All-liquid Optical Fibers, RAOF）。这种光纤完全由液体构成，不仅能够支持高达1 Gbps的实时通信，还具备自愈合和按需重构的非凡能力，为未来光通信和可编程光子学开辟了全新的道路。
为了开展这项研究，研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先，他们利用全液体3D打印技术，通过控制注射参数和界面活性剂浓度，在油相中直接打印出水相液柱，形成光纤结构。其次，他们通过调节葡萄糖水溶液的浓度来精确控制纤芯的折射率，确保其与油相包层之间存在足够的折射率差（RID）以实现全内反射。第三，他们利用原子力显微镜（AFM）对油水界面进行了原位表征，以观察纳米颗粒表面活性剂（NPSs）的组装形态和界面粗糙度。最后，他们搭建了一套以太网通信平台，通过眼图（Eye Diagram）分析和实时数据传输测试，全面评估了RAOF的通信性能。
全液体光导纤维的概念验证
研究人员首先需要解决一个核心问题：如何让液体保持稳定的管状结构？他们借鉴了“结构化液体”的概念，利用纳米颗粒表面活性剂（NPSs）在油水界面的自组装和阻塞效应。具体而言，他们将带负电的聚苯乙烯磺酸钠（PSS）溶解在水相中，将带正电的氨基封端聚二甲基硅氧烷（N-PDMS）溶解在油相中。当水相被注入油相时，两种带相反电荷的配体在界面上迅速结合，形成所谓的软纳米颗粒表面活性剂（sNPSs）。这些sNPSs在界面上紧密堆积，形成一层类似固体的薄膜，极大地降低了界面张力（<10 mN m-1），从而将非平衡态的管状液体形状“锁定”住，实现了全液体3D打印。
光在光纤中传播的另一个关键前提是纤芯的折射率必须高于包层。研究人员选择葡萄糖水溶液作为纤芯，硅油作为包层。通过提高葡萄糖浓度，他们将水相的折射率提升至1.4876，而硅油的折射率为1.4046，两者之间形成了0.083的折射率差。实验证实，光在此界面上确实发生了全内反射，临界角测量值为71.3°，与理论值70.8°高度吻合。为了验证光波导能力，研究人员打印了一条波浪形的RAOF，并将红光耦合进入其中。他们观察到光沿着液管的内界面传播，并在输出端检测到了清晰的信号，证明了光被成功限制在液体纤芯内。
可重构全液体光导纤维的制备基础
为了优化全液体3D打印工艺，研究人员系统性地探索了打印参数。他们发现，通过调节PSS和N-PDMS的浓度、打印速度、喷嘴直径和液体流速，可以制备出直径从约300 μm到1.7 mm不等的RAOF。利用这种灵活的打印方法，他们成功制造出了螺旋、花朵、城市大学标志以及三维弹簧等多种复杂图案，展示了RAOF卓越的可重构性。
然而，研究人员也发现了一个影响光传输性能的关键问题：界面粗糙度。通过原子力显微镜（AFM）观察，他们发现sNPSs在界面上形成了纳米尺度的粗糙结构（表面粗糙度Sa约为17 nm）。此外，由于界面组装体的弛豫，液管表面还会产生微米尺度的褶皱。这些粗糙和褶皱结构会导致光散射，增加光损耗。为了消除褶皱，他们采用了一种界面弛豫策略，即降低水相中的葡萄糖浓度。虽然这在一定程度上降低了折射率差，但增强了界面的流动性，有效消除了褶皱，从而显著提高了透光率。通过权衡这两个相互竞争的因素，研究人员找到了一个最佳的葡萄糖浓度（约60 wt.%），在此条件下，RAOF既无褶皱，又保持了良好的光传输性能。最终，通过截断法测量，打印出的RAOF的衰减约为0.631 dB cm-1。虽然这个损耗值高于传统的石英光纤，但与近期报道的聚合物光纤相当，并且RAOF具备的独特优势足以弥补这一不足。
可重构全液体光导纤维的实时通信
为了评估RAOF在真实通信系统中的可行性，研究人员将其集成到一个以太网平台中，替代了传统的商业光纤。他们利用眼图分析了从200 Mbps到1 Gbps不同数据速率下的通信性能。结果显示，随着数据速率的提高，眼图的宽度和高度会减小，表明信噪比有所下降，但系统在1 Gbps下仍能稳定运行，证明了RAOF满足大多数通信场景基本要求的能力。
为了进一步展示其实际应用潜力，研究人员利用RAOF进行了高清电视（HDTV）流媒体播放和在线视频会议。测试结果显示，RAOF能够完全支持高清视频流，网络延迟低至25 ms，且浏览网页和视频会议过程流畅无卡顿。这些结果充分证明，RAOF可以作为一种替代方案，在高速互联网和在线视频会议等实际应用中发挥作用。
可重构全液体光导纤维的液体特性
RAOF最引人注目的特性之一是其自愈合能力。为了演示这一功能，研究人员利用RAOF连接了两台计算机进行在线视频会议。当RAOF被切断时，通信链路立即中断，视频流停止。随后，研究人员通过向断裂处注入额外的水相，简单地将断裂的两端“焊接”在一起。尽管断裂处附近由于缺陷导致光散射略有增加，但通信功能完全恢复，连接速度与断裂前相比没有显著衰减。这种便捷的修复方式在水下通信等难以进行复杂操作的环境中具有巨大优势。
除了自愈合，RAOF的液体特性还赋予了其无与伦比的可重构性。研究人员展示了两种重构方式。第一种是结构重构：通过全液体3D打印，他们可以在原始光纤的任意位置增加新的分支，形成一个Y型分束器。这种重构方式具有极大的自由度，无需预先设计和制造复杂的波导拓扑结构。第二种是功能重构：他们通过在RAOF内部引入一个铁磁流体液滴，利用外部磁场远程控制液滴的位置，实现了光信号的开关和通道切换。这种动态开关无需持续供电，且可以放置在光纤的任意位置，为光信号操控提供了全新的范式。
研究结论与讨论
这项研究成功开发了一种基于结构化液体的可重构全液体光导纤维（RAOF）。该光纤的设计基于两个关键原理：一是利用带相反电荷的配体在油水界面的自组装，实现了全液体3D打印和结构稳定；二是利用水相和油相之间固有的折射率差，实现了光的全内反射和波导传输。
RAOF不仅支持高达1 Gbps的实时通信，其液体本质还赋予了它卓越的柔软性、自愈合能力和按需重构能力。这种光纤能够适应复杂的环境，并在受到冲击时保持韧性。更重要的是，它允许在光纤内部任意位置对信号传输进行按需操控，为未来按需操作的光纤发展提供了广阔的前景。
这项创新为水下光通信等领域的未来应用提供了宝贵的见解，其中可以利用适当的折射率对比和不混溶的水性系统来构建更复杂的通信网络。RAOF的出现，标志着光通信技术向更柔性、更智能、更适应动态环境的方向迈出了重要一步。
