In 2013, materiaalwetenschappers aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) en het Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering, groeide een tuin van zelf-geassembleerde kristal microstructuren. Nutsvoorzieningen, toegepaste wiskundigen van SEAS en Wyss hebben een raamwerk ontwikkeld om de fabricage van deze microstructuren beter te begrijpen en te beheersen.

Samen, de onderzoekers gebruikten dat raamwerk om geavanceerde optische microcomponenten te kweken.

Het onderzoek is gepubliceerd in Wetenschap .

Als het gaat om de fabricage van multifunctionele materialen, de natuur heeft de mens mijlenver verslagen. Mariene weekdieren kunnen fotonische structuren in hun gebogen schelpen inbedden zonder afbreuk te doen aan de sterkte van de schelp; diepzeesponzen ontwikkelden glasvezelkabels om licht te richten op symbiotisch levende organismen; en slangsterren bedekken hun skelet met lenzen om het licht in het lichaam te concentreren om 's nachts te 'zien'. Tijdens de groei, deze geavanceerde optische structuren stemmen minuscuul, goed gedefinieerde rondingen en holle vormen om het licht beter te geleiden en vast te houden.

Het vervaardigen van complexe bio-geïnspireerde vormen in het laboratorium is vaak tijdrovend en kostbaar. De doorbraak in 2013 werd geleid door materiaalwetenschappers Joanna Aizenberg, de Amy Smith Berylson Professor of Materials Science and Chemistry and Chemical Biology en kernfaculteitslid van het Wyss Institute en voormalig postdoctoraal fellow Wim L. Noorduin. Het onderzoek stelde onderzoekers in staat om delicate, bloemachtige structuren op een substraat door simpelweg chemische gradiënten te manipuleren in een beker vloeistof. Deze structuren, samengesteld uit carbonaat en glas, vormen een boeket van dunne muren.

Wat dat onderzoek toen miste, was een kwantitatief begrip van de betrokken mechanismen die een nog preciezere controle over deze structuren mogelijk zouden maken.

Voer de theoretici in.

Geïnspireerd door de theorie om stollings- en kristallisatiepatronen te verklaren, L. Mahadevan, de Lola England de Valpine hoogleraar Toegepaste Wiskunde, Natuurkunde, en Organismische en Evolutionaire Biologie, en postdoctoraal onderzoeker C. Nadir Kaplan, ontwikkelde een nieuw geometrisch raamwerk om uit te leggen hoe eerdere neerslagpatronen groeiden en zelfs nieuwe structuren voorspelden.

Mahadevan is ook kernlid van het Wyss Institute.

Bij experimenten, de vorm van de structuren kan worden gecontroleerd door de pH van de oplossing waarin de vormen worden vervaardigd te veranderen.

"Bij hoge pH, deze structuren groeien plat en je krijgt platte vormen, als de zijkant van een vaas, " zei Kaplan, co-eerste auteur van het artikel. "Bij lage pH, de structuur begint te krommen en je krijgt spiraalvormige structuren."

Toen Kaplan de resulterende vergelijkingen oploste als functie van de pH, met een wiskundige parameter die de chemische verandering vervangt, hij ontdekte dat hij alle door Noorduin en Aizenberg ontwikkelde vormen kon recreëren en nieuwe kon bedenken.

"Toen we eenmaal de groei en vorm van deze structuren begrepen en we ze konden kwantificeren, was ons doel om de theorie te gebruiken om met een strategie te komen om optische structuren van onderaf te bouwen, ' zei Kaplan.

Kaplan en Noorduin werkten samen om resonatoren te laten groeien, golfgeleiders en bundelsplitsers.

"Toen we het theoretische kader hadden, we konden hetzelfde proces experimenteel laten zien, " zei Noordijn, co-eerste auteur. "We waren niet alleen in staat om deze microstructuren te laten groeien, maar we konden ook hun vermogen om licht te geleiden aantonen."

Noorduin is nu groepsleider bij de Nederlandse materiaalonderzoeksorganisatie AMOLF.

"De aanpak kan een schaalbare, goedkope en nauwkeurige strategie om complexe driedimensionale microstructuren te fabriceren, die niet kunnen worden gemaakt door top-down productie en ze op maat te maken voor magnetische, elektronisch, of optische toepassingen, " zei Joanna Aizenberg, co-auteur van het artikel.

"Onze theorie laat zien dat, naast groei, carbonaat-silica structuren kunnen ook buigen langs de rand van hun dunne wanden ondergaan, " zei Mahadevan, de senior auteur van het artikel. "Deze extra vrijheidsgraad ontbreekt typisch in conventionele kristallen, zoals een groeiende sneeuwvlok. Dit wijst op een nieuw soort groeimechanisme in mineralisatie, en omdat de theorie onafhankelijk is van de absolute schaal, het kan worden aangepast aan andere geometrisch beperkte groeiverschijnselen in fysieke en biologische systemen."

Volgende, de onderzoekers hopen te modelleren hoe groepen van deze structuren tegen elkaar strijden om chemicaliën, als bomen in een bos die strijden om zonlicht.