Nieuw onderzoek heeft aangetoond hoe de nano-architectuur van de vezel van een zijderups "Anderson-lokalisatie van licht, " een ontdekking die zou kunnen leiden tot verschillende innovaties en een beter begrip van lichttransport en warmteoverdracht.

De ontdekking kan ook helpen bij het creëren van synthetische materialen en structuren die het fenomeen realiseren, vernoemd naar Nobelprijswinnaar Philip Anderson, wiens theorie beschrijft hoe elektronen volledig tot stilstand kunnen worden gebracht in materialen vanwege hun 'verstrooiing en defecten'. De nieuwe bevindingen hebben geen betrekking op elektronen, maar voor licht transport.

Onderzoekers hebben aangetoond hoe de nano-architectuur van de zijdevezels in staat is tot lichte "opsluiting, " een eigenschap die een reeks technologische toepassingen zou kunnen bieden, waaronder innovaties die licht benutten voor nieuwe soorten medische therapieën en biosensing. Dit lichtbeperkende effect in biologisch en natuurlijk weefsel, wat onverwacht was, wordt mogelijk gemaakt door de Anderson-lokalisatie van licht, zei Jonge Kim, een universitair hoofddocent aan de Weldon School of Biomedical Engineering van Purdue University.

De nieuwe bevindingen suggereren dat zijdevezels "natuurlijke metamaterialen" en "natuurlijke metastructuren" kunnen vertegenwoordigen, ' zei Kim.

Verschillende onderzoeksgroepen hebben synthetische "metamaterialen" gemaakt die in staat zijn tot ultra-efficiënte controle van licht. Echter, metamaterialen hebben beperkingen omdat ze vaak moeilijk op te schalen zijn voor commerciële productie en andere uitdagingen opleveren. Omdat de nano-architectuur van zijde "wanordelijk" is in plaats van zorgvuldig ontworpen periodieke structuren, de bevindingen suggereren een strategie om metamaterialen te produceren die minder duur zijn om te fabriceren en te produceren en gemakkelijker op te schalen voor de industrie.

"Dit is fascinerend omdat het realiseren van Anderson-lokalisatie van licht een enorme uitdaging is, toch weten we nu dat het kan worden bereikt met behulp van onregelmatige, ongeordende nanostructuren om sterk opeengepakte nanomaterialen te creëren voor sterke lichtverstrooiing, aangezien een zijderups een zijdevezel produceert en een coconschil in de natuur spint, ' zei Kim.

De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een paper die op woensdag (31 januari) in het tijdschrift verschijnt Natuurcommunicatie . De hoofdauteur van het artikel is Purdue, postdoctoraal onderzoeksmedewerker Seung Ho Choi.

"Onze bevindingen kunnen nieuwe mogelijkheden bieden voor metamaterialen en metastructuren, " zei Kim, die onderzoek leidt om de onderliggende redenen voor het wit van zijde beter te begrijpen, zilverachtige en glanzende reflectie. "Ik weet dat dit een oxymoron is, maar we zeggen dat zijdevezels 'natuurlijke metamaterialen' en 'natuurlijke metastructuren' vertegenwoordigen."

De zijdevezels hebben een diameter van 10-20 micron en bevatten duizenden minuscule nanofibrillen, elk ongeveer 100 nanometer breed. Voor perspectief, een mensenhaar heeft een diameter van ongeveer 100 micron.

Een zijdevezel heeft binnenin talrijke "verstrooiingscentra". Anderson-lokalisatie komt voort uit deze lichtverstrooiing als gevolg van wanorde in de nanostructuur.

"Zijde heeft veel nanofibrillen, die individueel licht verstrooien, ' zei Kim.

Om de Anderson-lokalisatie te laten plaatsvinden, er moet zowel verstrooiing als interferentie zijn tussen verstrooide lichtgolven. Dicht opeengepakte onregelmatige nanostructuren zorgen ervoor dat lichtgolven met elkaar interfereren, soms op destructieve en soms op constructieve wijze. Als constructief, het licht wordt geïntensiveerd.

"Als golven constructief interfereren, dit vormt een zeer hoge energie in de ongeordende media, ' zei Choi.

De kleine omvang en ruwweg parallelle opstelling van de nanofibrillen zijn bevorderlijk voor het effect. Het verstrooiingsvermogen wordt gemaximaliseerd wanneer er veel verstrooiingscentra zijn en wanneer hun grootte vergelijkbaar is met de golflengte van het licht, beide criteria gevonden in de zijdevezels.

Terwijl commerciële optische vezels speciaal moeten worden ontworpen met een reflecterende coating, of bekleding, om de opsluiting van licht mogelijk te maken, de zijdevezels kunnen deze prestatie op natuurlijke wijze bereiken dankzij Anderson-lokalisatie van licht. De Anderson-lokalisatie creëert "modi" die opsluiting van licht mogelijk maken zonder zorgvuldig ontworpen periodieke structuren. In plaats daarvan, dezelfde opsluiting is mogelijk met wanordelijke, meer willekeurige ontwerpen.

"We ontdekten dat de meeste lichttransmissie in het grootste deel van het zijdeoppervlak verdwijnt. niet intuïtief, in een klein gebied vonden we dat de energie beperkt is, en deze beperkte energie wordt overgedragen via gelokaliseerde modi, " zei Kim. "De gelokaliseerde modus is een uniek pad voor energiestroom."

Hoewel biologische structuren zoals zijde diffuus licht, andere natuurlijke materialen met vergelijkbare microstructuren bezitten niet de gelokaliseerde, modi die Anderson-lokalisatie van licht mogelijk maken.

"Zo'n verschil maakt zijde bijzonder interessant voor stralingswarmteoverdracht." zei Kim. De zijde heeft een hoge emissiviteit voor infrarood licht, wat betekent dat het gemakkelijk warmte uitstraalt, of infraroodstraling, terwijl het tegelijkertijd een goede reflector van zonnelicht is. Omdat de sterke reflectiviteit van Anderson-lokalisatie wordt gecombineerd met de hoge emissiviteit van de biomoleculen in infraroodstraling, zijde straalt meer warmte uit dan het absorbeert, waardoor het ideaal is voor passieve, of "zelfkoeling".

"Je hebt misschien gehoord dat zijden ondergoed je koeler kan houden in de zomer en warmer in de winter, ' zei Kim. 'We hebben het basismechanisme achter deze observatie geleerd.'

Het werk wordt geleid door onderzoekers van Purdue's Weldon School of Biomedical Engineering; de afdeling Landbouwbiologie van het Nationaal Instituut voor Landbouwwetenschappen in Zuid-Korea; en de Materials and Manufacturing Directorate van het U.S. Air Force Research Laboratory. Een volledige lijst van co-auteurs is beschikbaar in het abstract.

"Onze bevindingen kunnen grotendeels onontgonnen mogelijkheden bieden voor engineering, energie, en biomedische gebieden, ' zei Kim. 'Echter, terwijl directe toepassingen mogelijk zijn, we willen echt leren van zijde om in de toekomst materiaalsynthese en ontwerpprocessen te helpen ontwikkelen."