Små netværk fletter sig sammen for at efterligne fuglefarvernes design

Den lyse fjerdragt af fugle er ofte en fryd for øjet, men det har været en hovedpine for forskere, der har kæmpet for at genskabe de fotoniske nanostrukturer, der genererer disse farver i laboratoriet.

En del af udfordringen er at udvikle strukturer i den akavede skala på nogle få hundrede nanometer:for stor til molekylær kemi, men alligevel for lille til direkte fremstilling.

Et team ledet af Eric Dufresne, en professor med fælles ansættelser i Institut for Materialevidenskab og Engineering i Cornell Engineering og Institut for Fysik i College of Arts and Sciences, har udviklet en metode til effektivt at konstruere disse indviklede nanostrukturer gennem en form for faseadskillelse - en proces, der ligner den måde, hvorpå vand og olie adskilles i salatdressing.

De resulterende materialer kan vise sig nyttige i en række forskellige anvendelser, fra fremstilling af bæredygtige pigmenter til energilagring og filtrering.

Holdets papir, "Elastisk mikrofaseseparation producerer robuste bikontinuerlige materialer," udgivet i Nature Materials . Hovedforfatteren er Carla Fernández-Rico, en postdoc-forsker ved ETH Zürich.

I årevis har Dufresne fundet inspiration i den naturlige verden. Ved at studere den indre funktion af levende systemer såsom fugle og insekter, søger han at afdække nye fysiske mekanismer, der kunne være med til at danne grundlag for design af funktionelle syntetiske materialer.

Til deres seneste projekt satte Dufresnes team sig for at skabe et "bikontinuerligt" materiale, som han beskriver som indeholdende to "skøre interpenetrerende netværk" - gummi og olie - der er perfekt sammenflettet i en præcist defineret struktur, men som dog aldrig ofrer deres egen identitet eller egenskaber.

"I en svamp er væske og fast stof sammenvævet," sagde Dufresne. "Tilsammen kan de mere end summen af ​​deres dele. At bringe to materialer sammen på en lignende måde på nanoskala kan låse op for nye funktionaliteter, men giver alle mulige udfordringer."

Tidligere fokuserede materialeforskere på to tilgange til at lave bikontinuerlige nanostrukturer:selvsamling og faseadskillelse.

"Enten starter man med byggeklodser i den størrelse, man leder efter og samler dem. Eller man tager en blanding af molekyler, der ikke kan lide hinanden, som olie og vand. De skiller sig bare af sig selv, men det er svært at kontrollere størrelserne på de strukturer, de laver," sagde Dufresne. "Vi ønskede at have al den kontrol, du får med monteringsmetoden, men at bevare enkelheden og lave omkostninger ved separationsmetoden."

I deres nye papir introducerer Dufresnes team en strategi kaldet Elastic MicroPhase Separation (EMPS). Det indledende eksperiment var decideret lavteknologisk. De nedsænkede et stykke silikonegummi - dvs. "den elastiske matrix" - i et bad af fluorineret olie - i det væsentlige flydende teflon - og opvarmede det i en ovn ved 60 grader Celsius. Da olien var blevet absorberet af gummiet efter et par dage, lod forskerne den afkøle til stuetemperatur.

"Ved stuetemperatur kan olien og gummiet ikke lide at være på samme sted. Og de laver denne utroligt indviklede struktur," sagde Dufresne. "At være vært for separationsprocessen inde i gummi forhindrer den udskilte olie i at lave én stor klump, som i salatdressing."

Den egentlige udfordring var at måle og fortolke deres resultater. Nanostrukturerne var næsten ikke synlige i et normalt lysmikroskop, men materialet var for "squishy" til et elektronmikroskop. Holdet henvendte sig til 3D-fluorescensmikroskopi, som afslørede, at de med succes havde skabt et bikontinuerligt materiale i den ønskede størrelse.

Selvom forskerne er begejstrede for mulighederne i deres nye tilgang, er de stadig ikke helt sikre på, hvordan det virker.

"Vi kan give en masse grunde til, hvorfor det ikke burde have virket, men det virkede," sagde Dufresne. "Derfor er det ikke bare et spændende ingeniørbidrag, det er også en spændende fysikting, for vi ved virkelig ikke, hvad den egentlige mekanisme er. Vi ved, at vi kan få en række forskellige typer strukturer, som vi kan tune ved at ændre på. de forskellige typer af silikonegummi. Så vi prøver at forstå, hvorfor det er, og hvad dets begrænsninger er at strukturere et bredere udvalg af materialer til potentielt nyttige anvendelser."

Flere oplysninger: Fernandez-Rico, C. et al. Elastisk mikrofaseadskillelse producerer robuste bikontinuerlige materialer, Naturmaterialer (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01703-0. www.nature.com/articles/s41563-023-01703-0

Journaloplysninger: Naturmaterialer

Leveret af Cornell University