Under 2013, materialvetare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) och Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering, växte en trädgård av självmonterade kristallmikrostrukturer. Nu, tillämpade matematiker vid SEAS och Wyss har utvecklat ett ramverk för att bättre förstå och kontrollera tillverkningen av dessa mikrostrukturer.

Tillsammans, forskarna använde denna ram för att odla sofistikerade optiska mikrokomponenter.

Forskningen publiceras i Vetenskap .

När det gäller tillverkning av multifunktionella material, naturen har människor slagit med miles. Marina blötdjur kan bädda in fotoniska strukturer i sina böjda skal utan att äventyra skalstyrkan; djuphavssvampar utvecklade fiberoptiska kablar för att rikta ljus till symbiotiskt levande organismer; och spröda stjärnor täcker sina skelett med linser för att fokusera ljuset i kroppen för att "se" på natten. Under tillväxten dessa sofistikerade optiska strukturer stämmer små, väldefinierade kurvor och ihåliga former för att bättre styra och fånga ljus.

Att tillverka komplexa bioinspirerade former i labbet är ofta tidskrävande och kostsamt. Genombrottet 2013 leddes av materialvetare Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson professor i materialvetenskap och kemi och kemisk biologi och kärnfakultetsmedlem vid Wyss Institute och tidigare postdoktor Wim L. Noorduin. Forskningen tillät forskare att tillverka känsliga, blommeliknande strukturer på ett substrat genom att helt enkelt manipulera kemiska gradienter i en vätskebägare. Dessa strukturer, består av karbonat och glas, bilda en bukett med tunna väggar.

Vad den forskningen då saknade var en kvantitativ förståelse av de involverade mekanismerna som skulle möjliggöra ännu mer exakt kontroll över dessa strukturer.

Ange teoretikerna.

Inspirerad av teorin för att förklara stelnande och kristalliserade mönster, L. Mahadevan, Lola England de Valpine professor i tillämpad matematik, Fysik, och organismisk och evolutionär biologi, och postdoktor C. Nadir Kaplan, utvecklat en ny geometrisk ram för att förklara hur tidigare nederbördsmönster växte och till och med förutspådde nya strukturer.

Mahadevan är också kärnmedlem i Wyss Institute.

I experiment, formen på strukturerna kan kontrolleras genom att ändra pH för lösningen i vilken formerna tillverkas.

"Vid högt pH, dessa strukturer växer på ett platt sätt och du får platta former, som en sida av en vas, "sa Kaplan, medförfattare till tidningen. "Vid lågt pH, strukturen börjar kurva och du får spiralformade strukturer. "

När Kaplan löste de resulterande ekvationerna som en funktion av pH, med en matematisk parameter som står för den kemiska förändringen, han fann att han kunde återskapa alla former som utvecklats av Noorduin och Aizenberg - och hitta på nya.

"När vi förstod tillväxten och formen av dessa strukturer och vi kunde kvantifiera dem; vårt mål var att använda teorin för att komma med en strategi för att bygga optiska strukturer nedifrån och upp, "sa Kaplan.

Kaplan och Noorduin arbetade tillsammans för att odla resonatorer, vågledare och stråldelare.

"När vi hade den teoretiska ramen, vi kunde visa samma process experimentellt, "sade Noorduin, förste författare. "Inte bara kunde vi odla dessa mikrostrukturer, men vi kan också visa deras förmåga att leda ljus. "

Noorduin är nu gruppledare vid den nederländska materialforskningsorganisationen AMOLF.

"Tillvägagångssättet kan ge en skalbar, billig och exakt strategi för att tillverka komplexa tredimensionella mikrostrukturer, som inte kan tillverkas av top-down-tillverkning och skräddarsys dem för magnetiska, elektronisk, eller optiska applikationer, "sa Joanna Aizenberg, medförfattare till tidningen.

"Vår teori avslöjar att förutom tillväxt, karbonat-kiseldioxidstrukturer kan också böjas längs kanten på sina tunna väggar, "sa Mahadevan, tidningens författare. "Denna extra grad av frihet saknas vanligtvis i konventionella kristaller, som en växande snöflinga. Detta pekar på en ny typ av tillväxtmekanism inom mineralisering, och eftersom teorin är oberoende av absolut skala, den kan anpassas till andra geometriskt begränsade tillväxtfenomen i fysiska och biologiska system. "

Nästa, forskarna hoppas kunna modellera hur grupper av dessa strukturer tävlar mot varandra om kemikalier, som träd i en skog som tävlar om solljus.