Ny forskning har visat hur nanoarkitekturen för en silkesmaskfiber orsakar "Anderson lokalisering av ljus, "en upptäckt som kan leda till olika innovationer och en bättre förståelse för lätta transporter och värmeöverföring.

Upptäckten kan också hjälpa till att skapa syntetiska material och strukturer som inser fenomenet, uppkallad efter nobelpristagaren Philip Anderson, vars teori beskriver hur elektroner kan stoppas fullständigt i material på grund av deras "spridning och defekter". De nya fynden avser inte elektroner, men till lätta transporter.

Forskare visade hur silkesfibrernas nanoarkitektur kan lätta "inneslutning, "en egenskap som kan erbjuda en rad tekniska tillämpningar, inklusive innovationer som utnyttjar ljus för nya typer av medicinsk behandling och biosensering. Denna ljusbegränsande effekt i biologisk och naturlig vävnad, vilket var oväntat, möjliggörs av Andersons lokalisering av ljus, sa Young Kim, docent vid Purdue Universitys Weldon School of Biomedical Engineering.

De nya fynden tyder på att sidenfibrer kan representera "naturliga metamaterial" och "naturliga metastrukturer, "Sa Kim.

Olika forskargrupper har skapat syntetiska "metamaterial" som kan ultraeffektivt kontrollera ljuset. Dock, metamaterial har begränsningar eftersom de ofta är svåra att skala upp för kommersiell produktion och utgör andra utmaningar. Eftersom silkes nanoarkitektur är "störd" istället för minutiöst utformade periodiska strukturer, resultaten tyder på en strategi för att producera metamaterial som är billigare att tillverka och tillverka och lättare att skala upp för industrin.

"Detta är fascinerande eftersom det är extremt utmanande att inse Andersons lokalisering av ljus. men vi vet nu att det kan uppnås med oregelbundna, oregelbundna nanostrukturer för att skapa mycket packade nanomaterial för stark ljusspridning eftersom en silkesmask producerar en silkefiber och snurrar ett kokongskal i naturen, "Sa Kim.

Resultaten beskrivs detaljerat i ett papper som publicerades på onsdagen (31 januari) i tidningen Naturkommunikation . Tidningens huvudförfattare är Purdue postdoktorala forskningsassistent Seung Ho Choi.

"Våra resultat kan öppna nya möjligheter för metamaterial och metastrukturer, "sa Kim, som leder forskning för att bättre förstå de bakomliggande orsakerna till silkesvitt, silvrig och glansig reflektion. "Jag vet att detta är en oxymoron, men vi säger att sidenfibrer representerar "naturliga metamaterial" och "naturliga metastrukturer". "

Sidenfibrerna är 10-20 mikrometer i diameter och innehåller tusentals små nanofibriller, var och en cirka 100 nanometer bred. För perspektiv, ett människohår är ungefär 100 mikron i diameter.

En sidenfiber har många "spridningscentra" inuti. Anderson -lokalisering uppstår från denna ljusspridning på grund av störning i nanostrukturen.

"Siden har många nanofibriller, som individuellt sprider ljus, "Sa Kim.

För att Anderson -lokaliseringen ska inträffa, det måste finnas både spridning och störning mellan spridda ljusvågor. Tätt packade oregelbundna nanostrukturer får ljusvågor att störa varandra, ibland på destruktiva och ibland på konstruktiva sätt. Om det är konstruktivt, ljuset intensifieras.

"Om vågor konstruktivt stör detta bildar en mycket hög energi inuti de oordnade medierna, "Sa Choi.

Nanofibrillernas lilla storlek och ungefär parallella arrangemang bidrar till effekten. Spridningseffekten maximeras när det finns många spridningscentra och när deras storlek är jämförbar med ljusets våglängd, båda kriterierna som finns i sidenfibrerna.

Kommersiella optiska fibrer måste specialkonstrueras med en reflekterande beläggning, eller beklädnad, för att möjliggöra begränsning av ljus, sidenfibrerna kan uppnå prestationen naturligt på grund av Andersons lokalisering av ljus. Anderson -lokaliseringen skapar "lägen" som möjliggör begränsning av ljus utan noggrant konstruerade periodiska strukturer. Istället, samma inneslutning är möjlig med störningar, mer slumpmässiga mönster.

"Vi fann att det mesta av ljusöverföringen försvinner i det mesta av sidenytan. Men kontraintuitivt, i ett litet område fann vi att energin är begränsad, och denna begränsade energi överförs genom lokaliserade lägen, "Sa Kim." Det lokaliserade läget är en unik väg för energiflöde. "

Även om biologiska strukturer som silke diffust ljus, andra naturmaterial med liknande mikrostrukturer har inte den lokaliserade, lägen som gör att Anderson kan lokalisera ljus.

"En sådan skillnad gör silke särskilt intressant för strålningsvärmeöverföring." Sa Kim. Siden har en hög emissivitet för infrarött ljus, vilket betyder att det lätt utstrålar värme, eller infraröd strålning, samtidigt som det är en bra reflektor av solsken. Eftersom den starka reflektiviteten från Andersons lokalisering kombineras med biomolekylernas höga emissivitet i infraröd strålning, siden strålar ut mer värme än den absorberar, vilket gör den idealisk för passiv, eller "självkylande".

"Du kanske har hört att underkläder i siden kan hålla dig svalare på sommaren och varmare på vintern, "Sa Kim." Vi har lärt oss den grundläggande mekanismen bakom denna observation. "

Arbetet leds av forskare vid Purdues Weldon School of Biomedical Engineering; Institutionen för jordbruksbiologi vid National Institute of Agricultural Sciences i Sydkorea; och material- och tillverkningsdirektoratet vid U.S. Air Force Research Laboratory. En komplett lista över medförfattare finns tillgänglig i abstraktet.

"Våra resultat kan öppna upp i stort sett outforskade möjligheter till teknik, energi, och biomedicinska områden, "Sa Kim." Men medan direkta applikationer kan vara möjliga, vi vill verkligen lära av silke för att utveckla materialsyntes och designprocesser i framtiden. "