Открытие также может помочь в создании синтетических материалов и структур, реализующих явление, названное в честь нобелевского лауреата Филипа Андерсона, теория которого описывает, как электроны могут полностью останавливаться в материалах из-за их «рассеяния и дефектов». Новые данные относятся не к электронам, а к переносу света.Исследователи продемонстрировали, как наноархитектура шелковых волокон способна «удерживать» свет, что может обеспечить целый ряд технологических применений, включая инновации, использующие свет для новых видов медицинской терапии и биочувствительности. Этот неожиданный эффект удержания света в биологических и естественных тканях стал возможен благодаря локализации света Андерсоном, сказал Янг Ким, доцент Школы биомедицинской инженерии Велдона Университета Пердью.
Новые данные предполагают, что шелковые волокна могут представлять собой «природные метаматериалы» и «естественные метаструктуры», — сказал Ким.Различные исследовательские группы создали синтетические «метаматериалы», способные сверхэффективно управлять светом. Однако у метаматериалов есть ограничения, потому что их часто трудно масштабировать для коммерческого производства и возникают другие проблемы.
Поскольку наноархитектура шелка «неупорядочена», а не тщательно спроектированная периодическая структура, результаты предлагают стратегию производства метаматериалов, которые дешевле производить и производить и легче масштабировать для промышленности.«Это увлекательно, потому что реализовать локализацию света Андерсоном чрезвычайно сложно, но теперь мы знаем, что этого можно достичь, используя нерегулярные, неупорядоченные наноструктуры для создания плотноупакованных наноматериалов для сильного светорассеяния, поскольку тутовый шелкопряд производит шелковое волокно и вращает оболочку кокона. природа ", — сказала Ким.Результаты подробно описаны в статье, опубликованной в среду (31 января) в журнале Nature Communications. Ведущий автор статьи — научный сотрудник Purdue Сын Хо Чой.
«Наши открытия могут открыть новые возможности для метаматериалов и метаструктур», — сказал Ким, который руководит исследованием, чтобы лучше понять основные причины белого, серебристого и блестящего отражения шелка. «Я знаю, что это оксюморон, но мы говорим, что шелковые волокна представляют собой« природные метаматериалы »и« природные метаструктуры »».Шелковые волокна имеют диаметр 10-20 микрон и содержат тысячи крошечных нанофибрилл, каждая шириной около 100 нанометров. Для сравнения: диаметр человеческого волоса составляет примерно 100 микрон.Шелковое волокно имеет внутри множество «центров рассеяния».
Локализация Андерсона возникает из-за этого рассеяния света из-за беспорядка в наноструктуре.«В шелке много нанофибрилл, которые индивидуально рассеивают свет», — сказал Ким.
Чтобы локализация Андерсона произошла, должно быть как рассеяние, так и интерференция между рассеянными световыми волнами. Плотно упакованные наноструктуры неправильной формы заставляют световые волны интерферировать друг с другом, иногда деструктивно, а иногда и конструктивно. Если конструктивно, свет усиливается.«Если волны конструктивно мешают, это формирует очень высокую энергию внутри неупорядоченной среды», — сказал Чой.
Этому способствуют небольшой размер и примерно параллельное расположение нанофибрилл. Рассеивающая способность максимальна, когда имеется много рассеивающих центров и когда их размер сравним с длиной волны света, оба критерия присутствуют в шелковых волокнах.В то время как коммерческие оптические волокна должны быть специально спроектированы с отражающим покрытием или оболочкой, чтобы обеспечить ограничение света, шелковые волокна могут достигать этого естественным образом благодаря локализации света Андерсоном. Локализация Андерсона создает «режимы», которые делают возможным ограничение света без тщательно спроектированных периодических структур.
Вместо этого такое же ограничение возможно с неупорядоченными, более случайными конструкциями.«Мы обнаружили, что большая часть пропускания света исчезает на большей части поверхности шелка. Однако, как ни странно, на небольшой площади мы обнаружили, что энергия ограничена, и эта ограниченная энергия передается через локальные режимы», — сказал Ким. «Локальный режим — это уникальный путь для потока энергии».
Хотя биологические структуры, такие как шелк, рассеивают свет, другие природные материалы с аналогичной микроструктурой не обладают локализованными модами, делающими возможной локализацию света Андерсоном.«Такая разница делает шелк особенно интересным для передачи тепла». — сказала Ким.
Шелк обладает высокой излучательной способностью для инфракрасного света, что означает, что он легко излучает тепло или инфракрасное излучение, и в то же время является хорошим отражателем солнечного света. Поскольку сильная отражательная способность от локализации Андерсона сочетается с высокой излучательной способностью биомолекул в инфракрасном излучении, шелк излучает больше тепла, чем поглощает, что делает его идеальным для пассивного или «самоохлаждения».«Возможно, вы слышали, что шелковое нижнее белье может сохранять прохладу летом и согревать зимой», — сказала Ким. «Мы узнали основной механизм этого наблюдения».
Работой руководят исследователи из школы биомедицинской инженерии Purdue Weldon; Департамент сельскохозяйственной биологии Национального института сельскохозяйственных наук Южной Кореи; и Управление материалов и производства Исследовательской лаборатории ВВС США. Полный список соавторов доступен в аннотации.
«Наши открытия могут открыть в значительной степени неизведанные возможности для инженерии, энергетики и биомедицины», — сказал Ким. «Однако, хотя прямое применение возможно, мы действительно хотим поучиться у шелка, чтобы помочь в разработке процессов синтеза материалов и дизайна в будущем».Работа финансировалась Программой совместных исследований в области сельскохозяйственных наук.
Развитие технологий в Южной Корее и Управление научных исследований ВВС США.Видео на YouTube доступно по адресу https://youtu.be/RtgNdibMAhw.