Tyger gjorda av sidenmaskfibrer har länge varit uppskattade för sin vackra lyster och uppfriskande svalhet. Columbia Engineering forskare har upptäckt att fibrer som produceras av larverna i en vild sidenmöl, Madagaskars kometfjäril (Argema mittrei), är mycket överlägsna när det gäller briljans och kylförmåga. Kometmotens kokongfibrer har inte bara enastående kylningsegenskaper, de har också exceptionella möjligheter för att överföra ljussignaler och bilder.

Leds av Nanfang Yu, docent i tillämpad fysik, laget kännetecknade de optiska egenskaperna associerade med endimensionella nanostrukturer de hittade i kometmotkokongfibrer. De var så fascinerade av de ovanliga egenskaperna hos dessa fibrer att de utvecklade en teknik för att snurra konstgjorda fibrer som efterliknar de naturliga fibrernas nanostrukturer och optiska egenskaper. Studien publiceras idag i Light:Science &Application .

"Kometmotfibrerna är det bästa naturliga fibrösa materialet för att blockera solljus vi någonsin har sett. Syntetiserande fibrer med liknande optiska egenskaper kan ha viktiga konsekvenser för syntetfiberindustrin, "sa Yu, en expert på nanofotonik. "En annan fantastisk egenskap hos dessa fibrer är att de kan styra ljussignaler eller till och med transportera enkla bilder från ena änden till fiberns andra ände. Detta innebär att vi kanske kan använda dem som ett biokompatibelt och bioresorberbart material för optisk signal och bild transport i biomedicinska tillämpningar. "

Medan enskilda fibrer som produceras av våra domesticerade sidenmaskar ser ut som fasta, transparenta cylindrar under ett optiskt mikroskop, den enskilda tråden som spinnas av kometmotlarverna har en mycket metallisk glans. Kometmotfibrerna innehåller en hög densitet av nanoskala filamentära luftrum som löper längs fibrerna och orsakar stark spekulär (spegelliknande) reflektion av ljus. En enda fiber med tjockleken av ett människohår, cirka 50 mikron i diameter, reflekterar mer än 70% av synligt ljus. I kontrast, för vanliga textilier, inklusive silketyger, att nå en sådan reflektivitet, man måste sätta ihop många lager av transparenta fibrer för en total tjocklek på cirka 10 gånger den för en enda kometmotfiber. Dessutom, kometmotfibrernas höga reflektivitet sträcker sig långt utanför det synliga området in i det infraröda spektrumet - osynligt för det mänskliga ögat men innehåller ungefär hälften av solenergin. Detta, tillsammans med fibrernas förmåga att absorbera ultraviolett (UV) ljus, gör dem idealiska för att blockera solljus, som innehåller UV, synlig, och infraröda komponenter.

Kometmotfibrernas förmåga att styra ljus är en effekt som kallas transversal Anderson -lokalisering, och är ett resultat av de trådformiga luftrummen längs fibrerna:luftrummen orsakar stark optisk spridning i fiberns tvärsnitt, tillhandahåller sidohållande av ljus, men utgör inget hinder för ljusutbredning längs fibrerna.

"Denna form av ljusstyrning-begränsande ljus för att sprida sig inuti en materialsträng utan något läckage i sidled-skiljer sig mycket från den som används vid ljusöverföring genom undervattensfiberoptiska kablar, där ljusbegränsning tillhandahålls genom reflektion vid gränsen mellan en fiberkärna och ett beklädnadsskikt, "sa Norman Shi, huvudförfattare till tidningen och en doktorsexamen student tog nyligen examen från Yus laboratorium, sa. "Det här är första gången tvärgående Anderson -lokalisering har upptäckts i ett naturmaterialsystem. Vårt fynd öppnar potentiella tillämpningar inom ljusstyrning, bildtransport, och ljusfokusering där biokompatibilitet krävs. "

När Yus team hade kännetecknat kometmotfibrerna, de började sedan med att uppfinna nya fiberdragningsmetoder som efterliknar fiberspinnmekanismen hos kometmotlarven för att skapa fibrer inbäddade med en hög densitet av partikelformiga eller filamentära hålrum. Forskarna uppnådde en täthet av hålrum flera gånger högre än den som finns i de naturliga fibrerna:en enda bioinspirerad fiber kan reflektera ~ 93% av solljuset. De producerade dessa bioinspirerade fibrer med två material:ett naturmaterial (regenererat siden, d.v.s. flytande föregångare till sidenfibrer) och en syntetisk polymer (polyvinyliden -difluorid). Även om den förra är lämplig för applikationer som kräver biokompatibilitet, den senare är lämplig för produktion med hög kapacitet.

"Den enda stora skillnaden mellan våra bioinspirerade fibrer och fibrer som används universellt för textilier och kläder är att de bioinspirerade fibrerna innehåller konstruerade nanostrukturer, Konventionella fibrer har alla en fast kärna, "Sa Yu." Konstruktionsteknikens förmåga på det lilla tvärsnittet av en fiber via en hög genomströmning, högspänningsfiberspinnprocessen öppnar en ny dimension av design-vi kan införa helt nya optiska och termodynamiska funktioner i fibrer och textilier som består av sådana fibrer. Vi skulle kunna förändra syntetfiberindustrin! "

Dessa bioinspirerade fibrer kan användas för tillverkning av ultratunna sommarkläder med "luftkonditionering" -egenskaper. Bara några lager av fibrerna kan göra en helt ogenomskinlig textil som är en bråkdel av ett pappersark i tjocklek. Ändå skulle det inte bli genomskinligt när bäraren svettas, vilket är ett vanligt problem med konventionella textilier. Medan svett minskar ogenomskinligheten hos vanliga tyger genom att minska antalet fiber-luft-gränssnitt som reflekterar ljus, det skulle inte påverka luftrummen i nanoskala inbäddade i de bioinspirerade fibrerna. Dessutom, ultratunna kläder gjorda av de "porösa" fibrerna skulle främja kylning genom en kombination av svettindunstning, luftflöde mellan människokroppens mikromiljö och utsidan, och strålning av kroppsvärme till den yttre miljön. "Således, dina kläder kan ge dig den ultimata kylupplevelsen genom den kollektiva effekten av förångning, konvektiv, och strålningskylning, "Tillade Yu.

Madagaskars kometfjäril är en av de största i världen, med kokonger som sträcker sig från 6 till 10 cm i längd. Larverna gör sina kokonger i trädkronan på Madagaskar, med mycket solljus som drastiskt skulle kunna värma pupporna om deras kokonger inte hade deras reflekterande metallglans. Dessa extraordinära fibrer, vars glödtrådshålrum kan vara ett resultat av naturligt urval för att förhindra överhettning, uppmärksammades av Yu av Catherine Craig, chef för NGO Conservation genom fattigdomsbekämpning, Internationell. CPALI samarbetar med lantbrukare på Madagaskar för att utveckla hållbara försörjningsstöd som stöder både människor och ekosystem genom att odla och marknadsföra inhemska resurser, en produkt är fibrerna som produceras av larverna i kometmot.

Yu arbetar för närvarande med att öka genomströmningen av att producera sådana bioinspirerade nanostrukturerade fibrer. Hans laboratorium vill uppnå detta med minimala modifieringar av den vanliga praxisen för industriell fiberdragning.

"Vi vill inte drastiskt förändra de gigantiska fiberspinnmaskiner som används i hela branschen, "sa Yu." Istället vill vi introducera smarta vändningar till några viktiga steg eller komponenter så att dessa maskiner kan producera nanostrukturerade, snarare än fast, fibrer. "

Studien har titeln "Nanostrukturerade fibrer som en mångsidig fotonisk plattform:Strålningskylning och vågledning genom tvärgående Anderson -lokalisering."