Forskere efterligner kometmøl silkefibre for at lave stof med aircondition

Stoffer fremstillet af silkeormsfibre har længe været værdsat for deres smukke glans og forfriskende kølighed. Columbia Engineering forskere har opdaget, at fibre produceret af larver fra en vild silkemøl, Madagaskar kometmøl (Argema mittrei), er langt bedre med hensyn til glans og køleevne. Kometmølens kokonfibre har ikke kun enestående køleegenskaber, de har også enestående muligheder for at transmittere lyssignaler og billeder.

Anført af Nanfang Yu, lektor i anvendt fysik, teamet karakteriserede de optiske egenskaber forbundet med endimensionelle nanostrukturer, de fandt i kometmøl kokonfibre. De var så fascineret af disse fibrers usædvanlige egenskaber, at de udviklede en teknik til at spinde kunstige fibre, der efterligner de naturlige fibres nanostrukturer og optiske egenskaber. Undersøgelsen er offentliggjort i dag i Lys:Videnskab og anvendelse .

"Kometmølfibrene er det bedste naturlige fibermateriale til at blokere sollys, vi nogensinde har set. Syntetiserende fibre med lignende optiske egenskaber kan have vigtige konsekvenser for syntetisk fiberindustri, "sagde Yu, ekspert i nanofotonik. "En anden fantastisk egenskab ved disse fibre er, at de kan lede lyssignaler eller endda transportere simple billeder fra den ene ende til den anden ende af fiberen. Det betyder, at vi muligvis kan bruge dem som et biokompatibelt og bioresorberbart materiale til optisk signal og billede transport i biomedicinske applikationer. "

Mens individuelle fibre produceret af vores domesticerede silkeormer ligner solide, gennemsigtige cylindre under et optisk mikroskop, den enkelte tråd spundet af kometmøl larverne har en meget metallisk glans. Kometmølfibrene indeholder en høj densitet af nanoskala filamentære luftrum, der løber langs fibrene og forårsager stærk spejl (spejllignende) refleksion af lys. En enkelt fiber med tykkelsen af ​​et menneskehår, omkring 50 mikron i diameter, reflekterer mere end 70% af synligt lys. I modsætning, til almindelige tekstiler, herunder silkestoffer, at nå et sådant niveau af reflektivitet, man skal sammensætte mange lag gennemsigtige fibre til en total tykkelse på cirka 10 gange tyveriet af en enkelt kometmølfibre. Ud over, kometmølfibrenes høje reflektivitet strækker sig langt ud over det synlige område ind i det infrarøde spektrum - usynligt for det menneskelige øje, men indeholder omkring halvdelen af ​​solenergien. Det her, sammen med fibrernes evne til at absorbere ultraviolet (UV) lys, gør dem ideelle til at blokere sollys, som indeholder UV, synlig, og infrarøde komponenter.

Komets mølfibers evne til at lede lys er en effekt kendt som tværgående Anderson -lokalisering, og er et resultat af de trådformede luftrum langs fibrene:luftrummene forårsager stærk optisk spredning i fibertværsnittet, tilvejebringelse af sidelæns indeslutning af lys, men udgør ingen hindring for lysudbredelse langs fibrene.

"Denne form for lysstyring-begrænsende lys til at sprede sig inden i det indre af en materialestreng uden sidelæns lyslækage-er meget forskellig fra den, der bruges til lysoverførsel gennem undersøiske fiberoptiske kabler, hvor lysindeslutning tilvejebringes ved refleksion ved grænsen mellem en fiberkerne og et beklædningslag, "sagde Norman Shi, hovedforfatter af papiret og en ph.d. studerende tog for nylig eksamen fra Yus laboratorium, sagde. "Det er første gang, at tværgående Anderson -lokalisering er blevet opdaget i et naturmaterialesystem. Vores fund åbner op for potentielle anvendelser inden for lysstyring, billedtransport, og lysfokusering, hvor biokompatibilitet er påkrævet. "

Når Yus team havde karakteriseret kometmølfibrene, de gik derefter i gang med at opfinde nye fibertrækningsmetoder, der efterligner fiberdrejningsmekanismen for kometmøllarven for at skabe fibre indlejret med en høj densitet af partikelformede eller filamentære hulrum. Forskerne opnåede en tæthed af hulrum flere gange højere end den, der findes i de naturlige fibre:en enkelt bioinspireret fiber er i stand til at reflektere ~ 93% af sollyset. De producerede disse bioinspirerede fibre ved hjælp af to materialer:et naturligt materiale (regenereret silke, dvs. flydende forløber for silkefibre) og en syntetisk polymer (polyvinyliden -difluorid). Selvom førstnævnte er velegnet til applikationer, der kræver biokompatibilitet, sidstnævnte er velegnet til produktion med høj kapacitet.

"Den eneste store forskel mellem vores bioinspirerede fibre og fibre, der bruges universelt til tekstiler og beklædning, er, at de bioinspirerede fibre indeholder konstruerede nanostrukturer, der henviser til, at konventionelle fibre alle har en fast kerne, "Yu sagde." Konstruktionsteknikkens evne til det lille tværsnit af en fiber via et højt gennemløb, fiberudnyttelsesproces med højt udbytte åbner op for en ny dimension af design-vi kan indgive helt nye optiske og termodynamiske funktioner i fibre og tekstiler sammensat af sådanne fibre. Vi kunne transformere syntetisk fiberindustrien! "

Disse bioinspirerede fibre kunne bruges til fremstilling af ultratynde sommertøj med egenskaber med "aircondition". Bare et par lag af fibrene kunne lave et helt uigennemsigtigt tekstil, der er en brøkdel af et ark papir i tykkelse. Alligevel ville det ikke blive gennemskinneligt, når brugeren sveder, hvilket er et almindeligt problem med konventionelle tekstiler. Mens sved reducerer uigennemsigtigheden af ​​almindelige stoffer ved at reducere antallet af fiber-luft-grænseflader, der reflekterer lys, det ville ikke påvirke luftrummene i nanoskala indlejret i de bioinspirerede fibre. Ud over, ultratynde tøj fremstillet af de "porøse" fibre ville fremme afkøling gennem en kombination af svedfordampning, luftstrøm mellem mikromiljøet i menneskekroppen og det ydre, og stråling af kropsvarme til det ydre miljø. "Dermed, dit tøj kan give dig den ultimative køleoplevelse gennem den kollektive effekt af fordampning, konvektiv, og strålende køling, "Tilføjede Yu.

Madagaskars kometmøl er en af ​​de største i verden, med kokoner på 6 til 10 cm i længden. Larverne laver deres kokoner i Madagaskars træbaldakin, med masser af sollys, der drastisk kunne opvarme pupper, hvis deres kokoner ikke havde deres reflekterende metalliske glans. Disse ekstraordinære fibre, hvis filamentære luftrum kan være et resultat af naturlig selektion for at forhindre overophedning, blev gjort opmærksom på Yu af Catherine Craig, direktør for NGO Conservation gennem fattigdomsbekæmpelse, International. CPALI arbejder sammen med landmænd i Madagaskar for at udvikle bæredygtige levebrød, der understøtter både mennesker og økosystemer ved at dyrke og markedsføre indfødte ressourcer, et produkt er fibrene produceret af kometenes larver.

Yu arbejder i øjeblikket på at øge kapaciteten ved at producere sådanne bioinspirerede nanostrukturerede fibre. Hans laboratorium ønsker at opnå dette med minimale ændringer af den almindelige praksis med industriel fibertrækning.

"Vi ønsker ikke drastisk at ændre de gigantiske fiberspindemaskiner, der er i brug i hele branchen, "sagde Yu." I stedet ønsker vi at introducere smarte vendinger til et par kritiske trin eller komponenter, så disse maskiner kan producere nanostrukturerede, frem for solid, fibre. "

Undersøgelsen har titlen "Nanostrukturerede fibre som en alsidig fotonisk platform:Strålende køling og bølgeleder gennem tværgående Anderson -lokalisering."