Forskere har med succes fremstillet et metamateriale ved hjælp af et lotusblad som skabelon

Metamaterialer er menneskeskabte stoffer, hvis egenskaber er bestemt af deres omhyggeligt designede struktur. For eksempel, metamaterialer kan fremstilles, så de interagerer med lys eller lyd på en bestemt måde. Unikke overfladestrukturer spiller en afgørende rolle i metamaterialer, og videnskabsmænd er begyndt at se til naturen selv efter mønstrede overflader, hvorfra de kan hente inspiration.

Nu, Kotara Kajikawa og Yuusuke Ebihara ved Tokyo Institute of Technology, sammen med Masayuki Shimojo på Shibaura Institute of Technology, Japan, har fremstillet et nyt 'biometamateriale' med et lotusblad som skabelon. Det nye stof er i stand til næsten total absorption af lys over hele det synlige spektrum.

Forskerne udnyttede den unikke struktur af cellerne på overfladen af ​​et lotusblad. Fimrehårene på bladene er i form af små, tilfældigt orienteret, makaroni-lignende nanorods, hver måler omkring 100 nanometer (nm) i diameter (se billede). Holdet antog, at en sådan struktur kunne begrænse lys effektivt.

Kajikawa og hans kolleger har belagt en række forskellige blade i et tyndt lag guldfilm, anvendes på to forskellige måder. Vakuumfordampning ved hjælp af termisk opvarmning ødelagde nanorod-strukturerne på bladoverfladen, men en spray-"sprøjtning"-teknik var langt mere vellykket. Den resulterende guldbelægning varierede i tykkelse fra 10 nm til 30 nm på forskellige prøver. Samt lotusblade, de brugte også blade fra tre andre planter som kontroller.

Forskerne fandt ud af, at det 10 nm tykke guldbiometamateriale skabt ved hjælp af lotusblade udviste en reflektivitet på mindre end 0,01 gennem hele det synlige spektrum. Beregninger viste, at den lave refleksionsevne, hvilket resulterer i næsten fuldstændig absorption af lys på materialets overflade, ser ud til at stamme fra de tilfældigt orienterede nanorods på bladets overflade.

Der arbejdes videre med at se, om Kajikawa og hans team kan finde en nem og effektiv måde at fjerne guldbiometamaterialet fra bladskabelonen, når det først er oprettet.

Fremskridt inden for metamaterialer

At skabe syntetiske materialer for at manipulere elektromagnetiske bølger er ikke et nyt koncept. Ja, ideen til metamaterialer har eksisteret i mindst 100 år, men det er først i de seneste årtier, at teknologien for alvor er begyndt at tage fart. Ved at designe formen, geometri og orientering af et materiale med præcis nøjagtighed, egenskaber kan opnås, som ikke er mulige i naturen.

Dette er ikke at sige, at naturen ikke spiller en væsentlig rolle i udformningen af ​​sådanne materialer. For nylig, forskere er begyndt at undersøge overfladestrukturer og cellemønstre i nanoskala hos planter med håbet om, at naturlige overflader vil give inspiration og skabeloner til nye 'biometamaterialer'.

Nylige teknologier bygget ved hjælp af metamaterialer omfatter lysabsorbere, sensorer, optiske filtre og tilsløringsanordninger, for blot at nævne nogle få. Der er et stort potentiale for nye metamateriale designs med unikke og præcise egenskaber.

Metodik

Biometamaterialet fremstillet af Kotaro Kajikawa og kolleger bruger de unikke nanoskalastrukturer på lotusblade - hvis primære rolle er at skabe en yderst vandafvisende overflade til bladene. Disse strukturer er i form af tilfældigt orienterede nanorods, som holdet mente ville give en nyttig skabelon til et metamateriale designet til at absorbere lys.

Forskerne har afprøvet to metoder til at skabe et guldbaseret metamateriale på overfladen af ​​bladene – vakuumfordampning ved hjælp af varme og en "forstøvningsteknik". Den første af disse resulterede i en fuldstændig glat, gylden reflekterende overflade, fordi nanorod-strukturerne var kollapset ved opvarmning. Sputtering fungerede meget bedre - scanning af elektronmikroskopibilleder afslørede, at de intakte tilfældigt orienterede nanorods var bevaret, og lovende resultater blev opnået i et biometamateriale lavet af et meget tyndt 10 nm lag guld.

Denne undersøgelse fremhæver potentialet i at bruge naturligt forekommende overflader til at generere meget præcise metamaterialer til specifikke formål. Holdet arbejder nu på måder at fjerne biometamaterialet fra bladet, når det først er skabt, en vanskelig proces, som forskerne mener kan opnås med en form for kemisk behandling.