Metamaterial är konstgjorda ämnen vars egenskaper bestäms av deras noggrant utformade struktur. Till exempel, metamaterial kan tillverkas så att de interagerar med ljus eller ljud på ett specifikt sätt. Unika ytstrukturer spelar en viktig roll i metamaterial, och forskare har börjat titta på naturen själv efter mönstrade ytor att hämta inspiration från.

Nu, Kotara Kajikawa och Yuusuke Ebihara vid Tokyo Institute of Technology, tillsammans med Masayuki Shimojo vid Shibaura Institute of Technology, Japan, har tillverkat ett nytt "biometamaterial" med hjälp av ett lotusblad som mall. Det nya ämnet är kapabelt till nästan total absorption av ljus över hela det synliga spektrumet.

Forskarna utnyttjade den unika strukturen hos cellerna på ytan av ett lotusblad. Cilierna på bladen är i form av små, slumpmässigt orienterade, makaroniliknande nanoroder, var och en mäter cirka 100 nanometer (nm) i diameter (se bild). Teamet antog att en sådan struktur kan begränsa ljus effektivt.

Kajikawa och hans kollegor belagde ett antal olika blad i ett tunt lager guldfilm, tillämpas på två olika sätt. Vakuumavdunstning med hjälp av termisk uppvärmning förstörde nanorodstrukturerna på bladytan, men en spray "sputtring" teknik var mycket mer framgångsrik. Den resulterande guldbeläggningen varierade i tjocklek från 10 nm till 30 nm på olika prover. Förutom lotusblad, de använde också löv från tre andra växter som kontroller.

Forskarna fann att det 10 nm tjocka guldbiometamaterialet skapat med hjälp av lotusblad uppvisade en reflektivitet på mindre än 0,01 genom hela det synliga spektrumet. Beräkningar visade att den låga reflektionsförmågan, vilket resulterar i nästan fullständig absorption av ljus på materialets yta, verkar härröra från de slumpmässigt orienterade nanoroderna på bladets yta.

Ytterligare arbete pågår för att se om Kajikawa och hans team kan hitta ett enkelt och effektivt sätt att ta bort guldbiometamaterialet från bladmallen när det väl har skapats.

Framsteg inom metamaterial

Att skapa syntetiska material för att manipulera elektromagnetiska vågor är inget nytt koncept. Verkligen, idén till metamaterial har funnits i minst 100 år, men det är först under de senaste decennierna som tekniken verkligen har börjat ta fart. Genom att designa formen, geometri och orientering av ett material med exakt noggrannhet, egenskaper kan uppnås som inte är möjliga i naturen.

Detta är inte att säga att naturen inte spelar en betydande roll i utformningen av sådana material. Nyligen, forskare har börjat undersöka nanoskaliga ytstrukturer och cellmönster i växter med förhoppningen att naturliga ytor ska ge inspiration och mallar för nya "biometamaterial".

Ny teknik som byggts med metamaterial inkluderar ljusabsorbenter, sensorer, optiska filter och maskeringsanordningar, för att bara nämna några. Det finns stor potential för nya metamaterialdesigner med unika och exakta egenskaper.

Metodik

Biometamaterialet tillverkat av Kotaro Kajikawa och medarbetare använder de unika strukturerna i nanoskala på lotusblad – vars primära roll är att skapa en mycket vattenavvisande yta till bladen. Dessa strukturer är i form av slumpmässigt orienterade nanorods, som teamet trodde skulle ge en användbar mall för ett metamaterial utformat för att absorbera ljus.

Forskarna testade två metoder för att skapa ett guldbaserat metamaterial på ytan av bladen – vakuumavdunstning med hjälp av värme och en "sputtringsteknik". Den första av dessa resulterade i en helt jämn, gyllene reflekterande yta eftersom nanorodstrukturerna hade kollapsat vid uppvärmning. Sputtering fungerade mycket bättre - skanning av elektronmikroskopibilder visade att de intakta slumpmässigt orienterade nanoroderna var bevarade, och lovande resultat uppnåddes i ett biometamaterial tillverkat av ett mycket tunt 10 nm lager av guld.

Denna studie belyser potentialen i att använda naturligt förekommande ytor för att generera mycket exakta metamaterial för specifika ändamål. Teamet arbetar nu med sätt att ta bort biometamaterialet från bladet när det väl har skapats, en knepig process som forskarna tror kan åstadkommas med en form av kemisk behandling.