Fåglarnas ljusa fjäderdräkt är ofta en fröjd för ögonen, men det har varit en huvudvärk för forskare som har kämpat för att återskapa de fotoniska nanostrukturerna som genererar dessa färger i labbet.
En del av utmaningen är att utveckla strukturer i den obekväma skalan av några hundra nanometer:för stor för molekylär kemi, men för liten för direkt tillverkning.
Ett team under ledning av Eric Dufresne, professor med gemensamma utnämningar vid institutionen för materialvetenskap och teknik i Cornell Engineering och institutionen för fysik vid College of Arts and Sciences, har utvecklat en metod för att effektivt konstruera dessa intrikata nanostrukturer genom en form av fasseparation – en process som liknar hur vatten och olja kopplas loss i salladsdressing.
De resulterande materialen kan visa sig användbara i en mängd olika tillämpningar, från att tillverka hållbara pigment till energilagring och filtrering.
Teamets artikel, "Elastisk mikrofasseparation producerar robusta bikontinuerliga material", publicerad i Nature Materials . Huvudförfattare är Carla Fernández-Rico, postdoktor vid ETH Zürich.
I flera år har Dufresne hittat inspiration i naturen. Genom att studera de inre funktionerna hos levande system som fåglar och insekter, försöker han avslöja nya fysiska mekanismer som kan ligga till grund för utformningen av funktionella syntetiska material.
För sitt senaste projekt satte Dufresnes team för att skapa ett "bikontinuerligt" material, som han beskriver som innehållande två "galna interpenetrerande nätverk" – gummi och olja – som är perfekt sammanflätade i en exakt definierad struktur, men som aldrig offrar sin egen identitet eller egenskaper.
"I en svamp är vätska och fast sammanvävd," sa Dufresne. "Tillsammans kan de göra mer än summan av sina delar. Att sammanföra två material på liknande sätt i nanoskala kan låsa upp nya funktioner, men innebär alla möjliga utmaningar."
Tidigare fokuserade materialforskare på två metoder för att göra bikontinuerliga nanostrukturer:självmontering och fasseparation.
"Antingen börjar du med byggstenar i den storlek du letar efter och sätter ihop dem. Eller så tar du en blandning av molekyler som inte gillar varandra, som olja och vatten. De separerar bara av sig själva, men det är svårt för att kontrollera storleken på strukturerna de gör," sa Dufresne. "Vi ville ha all kontroll som du får med monteringsmetoden, men behålla enkelheten och den låga kostnaden för separationsmetoden."
I sitt nya dokument introducerar Dufresnes team en strategi som kallas Elastic MicroPhase Separation (EMPS). Det första experimentet var avgjort lågteknologiskt. De nedsänkte en bit silikongummi – det vill säga "den elastiska matrisen" – i ett bad av fluorerad olja – huvudsakligen flytande teflon – och värmde upp den i en ugn vid 60 grader Celsius. När oljan hade absorberats av gummit efter några dagar lät forskarna den svalna till rumstemperatur.
"I rumstemperatur gillar oljan och gummit inte att vara på samma plats. Och de gör denna otroligt invecklade struktur," sa Dufresne. "Att vara värd för separationsprocessen inuti gummi förhindrar att den separerade oljan bildar en stor klump, som i salladsdressing."
Den verkliga utmaningen var att mäta och tolka deras resultat. Nanostrukturerna var knappt synliga i ett normalt ljusmikroskop, men materialet var för "squishy" för ett elektronmikroskop. Teamet vände sig till 3D-fluorescensmikroskopi, som visade att de framgångsrikt hade skapat ett bikontinuerligt material i önskad storlek.
Även om forskarna är entusiastiska över möjligheterna med deras nya tillvägagångssätt, är de fortfarande inte riktigt säkra på hur det fungerar.
"Vi kan ge en massa anledningar till varför det inte borde ha fungerat, men det fungerade," sa Dufresne. "Det är därför det inte bara är ett spännande ingenjörsbidrag, det är också en spännande fysikgrej, för vi vet verkligen inte vad den faktiska mekanismen är. Vi vet att vi kan få en rad olika typer av strukturer, som vi kan ställa in genom att ändra de olika typerna av silikongummi Så vi försöker förstå varför det är och vad det har för begränsningar. Kan vi göra saker mycket mindre att strukturera ett bredare utbud av material för potentiellt användbara tillämpningar."
Mer information: Fernández-Rico, C. et al. Elastisk mikrofasseparation ger robusta bikontinuerliga material, naturmaterial (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01703-0. www.nature.com/articles/s41563-023-01703-0
Journalinformation: Naturmaterial
Tillhandahålls av Cornell University
