Silkefibre kan være højteknologiske naturlige metamaterialer

Ny forskning har vist, hvordan nano-arkitekturen i en silkeorms fiber forårsager "Anderson lokalisering af lys, "en opdagelse, der kan føre til forskellige innovationer og en bedre forståelse af let transport og varmeoverførsel.

Opdagelsen kunne også hjælpe med at skabe syntetiske materialer og strukturer, der indser fænomenet, opkaldt efter nobelpristager Philip Anderson, hvis teori beskriver, hvordan elektroner kan standse fuldstændigt i materialer på grund af deres "spredning og defekter." De nye fund vedrører ikke elektroner, men til let transport.

Forskere demonstrerede, hvordan silofibrernes nano-arkitektur er i stand til let "indeslutning, "en egenskab, der kan levere en række teknologiske anvendelser, herunder innovationer, der udnytter lys til nye former for medicinsk behandling og biosensering. Denne lysindeslutningseffekt i biologisk og naturligt væv, hvilket var uventet, er muliggjort af Andersons lokalisering af lys, sagde unge Kim, en lektor i Purdue Universitys Weldon School of Biomedical Engineering.

De nye fund tyder på, at silkefibre kan repræsentere "naturlige metamaterialer" og "naturlige metastrukturer, "Sagde Kim.

Forskellige forskergrupper har skabt syntetiske "metamaterialer", der er i stand til ultraeffektiv kontrol af lys. Imidlertid, metamaterialer har begrænsninger, fordi de ofte er svære at opskalere til kommerciel produktion og udgør andre udfordringer. Fordi silkes nano-arkitektur er "uorden" i stedet for omhyggeligt designet periodiske strukturer, resultaterne tyder på en strategi til fremstilling af metamaterialer, der er billigere at fremstille og fremstille og lettere at skalere op til industrien.

"Dette er fascinerende, fordi det er ekstremt udfordrende at indse Anderson lokalisering af lys, alligevel ved vi nu, at det kan opnås ved hjælp af uregelmæssig, uordnede nanostrukturer til at skabe stærkt pakket nanomaterialer til stærk lysspredning, da en silkeorm producerer en silkefibre og spinder en kokonskal i naturen, "Sagde Kim.

Resultaterne er detaljeret i et papir, der blev vist onsdag (31. januar) i journalen Naturkommunikation . Papirets hovedforfatter er Purdue postdoktoral forskningsassistent Seung Ho Choi.

"Vores fund kan åbne nye muligheder for metamaterialer og metastrukturer, "sagde Kim, hvem leder forskning for bedre at forstå de underliggende årsager til silkehvid, sølvfarvet og skinnende refleksion. "Jeg ved, at dette er et oxymoron, men vi siger, at silkefibre repræsenterer 'naturlige metamaterialer' og 'naturlige metastrukturer'. "

Silkefibrene er 10-20 mikrometer i diameter og indeholder tusindvis af små nanofibriller, hver omkring 100 nanometer bred. For perspektiv, et menneskehår er cirka 100 mikrometer i diameter.

En silkefiber har mange "spredningscentre" indeni. Anderson -lokalisering opstår fra denne lysspredning på grund af uorden i nanostrukturen.

"Silke har mange nanofibriller, som individuelt spreder lys, "Sagde Kim.

For at Anderson -lokaliseringen skulle ske, der skal være både spredning og interferens mellem spredte lysbølger. Tæt pakket uregelmæssige nanostrukturer får lysbølger til at forstyrre hinanden, nogle gange på destruktiv og til tider på konstruktive måder. Hvis det er konstruktivt, lyset forstærkes.

"Hvis bølger konstruktivt forstyrrer, dette danner en meget høj energi inde i de uordnede medier, "Sagde Choi.

Nanofibrillernes lille størrelse og stort set parallelle arrangement bidrager til effekten. Spredningseffekten maksimeres, når der er mange spredningscentre, og når deres størrelse er sammenlignelig med lysets bølgelængde, begge kriterier findes i silkefibrene.

Der henviser til, at kommercielle optiske fibre skal være specielt konstrueret med en reflekterende belægning, eller beklædning, for at tillade indeslutning af lys, silkefibrene er i stand til at opnå bedriften naturligt på grund af Anderson lokalisering af lys. Anderson -lokaliseringen skaber "tilstande", der muliggør indeslutning af lys uden omhyggeligt konstruerede periodiske strukturer. I stedet, den samme indespærring er mulig med uorden, mere tilfældige designs.

"Vi fandt ud af, at de fleste lysoverførsler forsvinder i det meste af silkeoverfladen. Men kontraintuitivt, i et lille område fandt vi ud af, at energien er begrænset, og denne begrænsede energi transmitteres gennem lokaliserede tilstande, "Sagde Kim." Den lokaliserede tilstand er en unik vej til energiflow. "

Selvom biologiske strukturer som silke diffunderer lys, andre naturmaterialer med lignende mikrostrukturer besidder ikke de lokaliserede, tilstande, der gør Andersons lokalisering af lys mulig.

"En sådan forskel gør silke særligt interessant til strålingsvarmeoverførsel." Sagde Kim. Silken har en høj emissionsevne for infrarødt lys, hvilket betyder, at den let udstråler varme, eller infrarød stråling, samtidig med at det er en god reflektor af sollys. Fordi den stærke refleksivitet fra Anderson -lokalisering kombineres med biomolekylernes høje emissionsevne i infrarød stråling, silke udstråler mere varme, end den absorberer, gør den ideel til passiv, eller "selvkølende".

"Du har måske hørt, at silkeundertøj kan holde dig køligere om sommeren og varmere om vinteren, "Sagde Kim." Vi har lært den grundlæggende mekanisme bag denne observation. "

Arbejdet ledes af forskere i Purdue's Weldon School of Biomedical Engineering; Institut for Landbrugsbiologi ved National Institute of Agricultural Sciences i Sydkorea; og direktoratet for materialer og fremstilling af U.S. Air Force Research Laboratory. En komplet liste over medforfattere er tilgængelig i sammendraget.

"Vores fund kunne åbne op for stort set uudforskede muligheder for teknik, energi, og biomedicinske områder, "Sagde Kim." Dog, mens direkte applikationer kunne være mulige, vi vil virkelig lære af silke at hjælpe med at udvikle materialesyntese og designprocesser i fremtiden. "