Открытие также могло помочь создать синтетические материалы и структуры, которые понимают явление, названное в честь нобелевского лауреата Филипа Андерсона, теория которого описывает, как электроны могут быть принесены к полной остановке в материалах из-за их «рассеивания и дефектов». Новые результаты имеют отношение не к электронам, но к легкому транспорту.Исследователи продемонстрировали, как наноархитектура шелковых волокон способна к легкому «заключению», черта, которая могла обеспечить диапазон технологического применения включая инновации, которые используют свет для новых типов медицинских методов лечения и применения биосенсоров. Этот эффект легкого заключения в биологической и естественной ткани, которая была неожиданна, сделан возможным локализацией Андерсона света, сказал Янг Ким, адъюнкт-профессор в Школе Уэлдона Университета Пердью Биоинженерии.
Новые результаты предполагают, что шелковые волокна могут представлять «естественные метаматериалы» и «естественные метаструктуры», сказал Ким.Различные исследовательские группы создали синтетические «метаматериалы», способные к ультраэффективному контролю света. Однако у метаматериалов есть ограничения, потому что их часто трудно расширить для коммерческого производства и поставить другие проблемы.
Поскольку наноархитектура шелка «приведена в беспорядок» вместо придирчиво разработанных периодических структур, результаты предлагают стратегию произвести метаматериалы, которые являются менее дорогими, чтобы изготовить и произвести и легче расшириться для промышленности.«Это захватывающее, потому что понимание локализации Андерсона света чрезвычайно сложно, все же мы теперь знаем, что это может быть достигнуто, используя неправильные, беспорядочные наноструктуры, чтобы создать высоко упакованные наноматериалы для яркого света, рассеивающегося, поскольку тутовый шелкопряд производит шелковое волокно и прядет раковину кокона по своей природе», сказал Ким.Результаты детализированы в газете, появляющейся в среду (31 января) в журнале Nature Communications.
Ведущий автор газеты – партнер постдиссертации Пердью Сюн Хо Чой.«Наши результаты могли открыть новые возможности для метаматериалов и метаструктур», сказал Ким, который принуждает исследование лучше понимать основные причины белого, серебристого и блестящего отражения шелка. «Я знаю, что это – оксюморон, но мы говорим, что шелковые волокна представляют ‘естественные метаматериалы’ и ‘естественные метаструктуры’».
Шелковые волокна составляют 10-20 микронов в диаметре и содержат тысячи крошечных нановолоконец, каждый приблизительно 100 миллимикронов шириной. Для перспективы человеческие волосы составляют примерно 100 микронов в диаметре.У шелкового волокна есть многочисленные «центры рассеивания» внутри. Локализация Андерсона является результатом этого рассеяния света из-за беспорядка в наноструктуре.
«У шелка есть много нановолоконец, которые индивидуально рассеивают свет», сказал Ким.Для локализации Андерсона, чтобы произойти, там должен и рассеиваться и вмешательство между рассеянными световыми волнами. Плотно упакованные неправильные наноструктуры заставляют световые волны вмешиваться друг в друга, иногда в разрушительном и иногда конструктивными способами. Если конструктивный, свет усилен.
«Если волны конструктивно вмешиваются, это формирует очень высокую энергию в беспорядочных СМИ», сказал Чой.Небольшой размер и примерно параллельное расположение нановолоконец способствуют эффекту. Рассеивающаяся власть максимизируется, когда есть многие центры рассеивания и когда их размер сопоставим с длиной волны света, оба критерия, найденные в шелковых волокнах.Принимая во внимание, что коммерческое оптоволокно должно быть особенно спроектировано с рефлексивным покрытием или оболочкой, чтобы допускать заключение света, шелковые волокна в состоянии достигнуть подвига естественно из-за локализации Андерсона света.
Локализация Андерсона создает «способы», которые делают заключение света возможным без тщательно спроектированных периодических структур. Вместо этого то же самое заключение возможно с беспорядочными, более случайными проектами.«Мы нашли, что большая часть передачи света исчезает в большей части шелковой поверхности. Однако парадоксально в небольшой площади мы нашли, что энергия заключена, и эта ограниченная энергия передана через локализованные способы», сказал Ким. «Локализованный способ – уникальный путь для энергетического потока».
Хотя биологические структуры, такие как шелковый разбросанный свет, другие естественные материалы с подобными микроструктурами не обладают локализованным, способы, делающие локализацию Андерсона возможного света.«Такое различие делает шелк особенно интересным для излучающей теплопередачи». Ким сказал.
У шелка есть высокая излучаемость для инфракрасного света, означая, что это с готовностью излучает тепло или инфракрасную радиацию, в то же время будучи хорошим отражателем солнечного света. Поскольку сильная отражательная способность от локализации Андерсона объединена с высокой излучаемостью биомолекул в инфракрасной радиации, шелк излучает больше тепла, чем это поглощает, делая его идеальным для пассивного, или «самоохлаждение».«Вы, возможно, услышали, что шелковое нижнее белье может сохранять Вас кулером в летнем периоде и теплее зимой», сказал Ким. «Мы изучили основной механизм позади этого наблюдения».
Работа во главе с исследователями в Школе Уэлдона Пердью Биоинженерии; Отдел Сельскохозяйственной Биологии Национального Института Сельскохозяйственных Наук в Южной Корее; и Материалы и Управление Производства американской Научно-исследовательской лаборатории Военно-воздушных сил. Полный список соавторов доступен в резюме.
«Наши результаты могли открыть в основном неизведанные возможности для разработки, энергии и биомедицинских областей», сказал Ким. «Однако, в то время как прямые заявления могли быть возможными, мы действительно хотим учиться из шелка помогать развивать существенные процессы синтеза и дизайна в будущем».Работа финансировалась Совместной Программой исследований для Науки Сельского хозяйства & Разработки технологий в Южной Корее и американском Офисе Военно-воздушных сил Научного исследования.Видео YouTube доступно в https://youtu.be/RtgNdibMAhw