Stoffen gemaakt van zijderupsen worden al lang gekoesterd vanwege hun mooie glans en verfrissende koelte. Onderzoekers van Columbia Engineering hebben ontdekt dat vezels geproduceerd door de rupsen van een wilde zijdemot, de Madagascar komeetmot (Argema mittrei), zijn veel beter in termen van helderheid en koelvermogen. De coconvezels van de komeetmot hebben niet alleen uitstekende koeleigenschappen, ze hebben ook uitzonderlijke mogelijkheden voor het verzenden van lichtsignalen en afbeeldingen.

Onder leiding van Nanfang Yu, universitair hoofddocent toegepaste natuurkunde, het team karakteriseerde de optische eigenschappen die verband houden met eendimensionale nanostructuren die ze vonden in coconvezels van kometenmotten. Ze waren zo gefascineerd door de ongewone eigenschappen van deze vezels dat ze een techniek ontwikkelden om kunstmatige vezels te spinnen die de nanostructuren en optische eigenschappen van de natuurlijke vezels nabootsen. De studie is vandaag gepubliceerd in Licht:Wetenschap &Toepassing .

"De vezels van de komeetmotten zijn het beste natuurlijke vezelmateriaal om zonlicht te blokkeren dat we ooit hebben gezien. Het synthetiseren van vezels met vergelijkbare optische eigenschappen zou belangrijke implicaties kunnen hebben voor de synthetische vezelindustrie, " zei Yu, een expert in nanofotonica. "Een andere verbazingwekkende eigenschap van deze vezels is dat ze lichtsignalen kunnen geleiden of zelfs eenvoudige afbeeldingen van het ene uiteinde naar het andere uiteinde van de vezel kunnen transporteren. Dit betekent dat we ze misschien kunnen gebruiken als een biocompatibel en bioresorbeerbaar materiaal voor optische signalen en beelden transport in biomedische toepassingen."

Terwijl individuele vezels geproduceerd door onze gedomesticeerde zijderupsen eruit zien als solide, transparante cilinders onder een optische microscoop, de afzonderlijke draad gesponnen door de rupsen van de komeetmot heeft een zeer metaalachtige glans. De vezels van de komeetmot bevatten een hoge dichtheid van filamentaire luchtholtes op nanoschaal die langs de vezels lopen en sterke spiegelende (spiegelachtige) reflectie van licht veroorzaken. Een enkele vezel met de dikte van een mensenhaar, ongeveer 50 micron in diameter, reflecteert meer dan 70% van het zichtbare licht. In tegenstelling tot, voor gewoon textiel, inclusief zijden stoffen, om een ​​dergelijk niveau van reflectiviteit te bereiken, men moet vele lagen transparante vezels samenvoegen voor een totale dikte van ongeveer 10 keer die van een enkele komeetmotvezel. In aanvulling, de hoge reflectiviteit van komeetmotvezels reikt ver buiten het zichtbare bereik in het infraroodspectrum - onzichtbaar voor het menselijk oog maar met ongeveer de helft van de zonne-energie. Dit, samen met het vermogen van de vezels om ultraviolet (UV) licht te absorberen, maakt ze ideaal voor het blokkeren van zonlicht, die UV bevat, zichtbaar, en infrarood componenten.

Het vermogen van komeetmotvezels om licht te geleiden is een effect dat bekend staat als transversale Anderson-lokalisatie, en is een gevolg van de filamentaire luchtholtes langs de vezels:de luchtholten veroorzaken sterke optische verstrooiing in de vezeldoorsnede, zijwaartse opsluiting van licht, maar vormt geen belemmering voor de voortplanting van licht langs de vezels.

"Deze vorm van lichtgeleiding - het beperken van licht om zich voort te planten in het binnenste van een materiaalstreng zonder zijwaartse lichtlekkage - is heel anders dan de vorm die wordt gebruikt bij lichttransmissie door onderzeese glasvezelkabels, waar lichtinsluiting wordt verschaft door reflectie op de grens tussen een vezelkern en een bekledingslaag, " zei Norman Shi, hoofdauteur van het papier en een Ph.D. student die onlangs is afgestudeerd aan Yu's lab, zei. "Dit is de eerste keer dat transversale Anderson-lokalisatie is ontdekt in een systeem van natuurlijke materialen. Onze bevinding opent potentiële toepassingen in lichtgeleiding, beeld transport, en lichtfocussering waar biocompatibiliteit vereist is."

Toen Yu's team de vezels van de komeetmotten had gekarakteriseerd, Vervolgens begonnen ze met het uitvinden van nieuwe vezeltrekmethoden die het vezelspinmechanisme van de rups van de komeetmot nabootsen om vezels te creëren die ingebed zijn met een hoge dichtheid van deeltjes- of draadvormige holtes. De onderzoekers bereikten een dichtheid van holtes die meerdere keren hoger was dan die in de natuurlijke vezels:een enkele bio-geïnspireerde vezel kan ~ 93% van het zonlicht weerkaatsen. Ze produceerden deze bio-geïnspireerde vezels met behulp van twee materialen:een natuurlijk materiaal (geregenereerde zijde, d.w.z., vloeibare voorloper van zijdevezels) en een synthetisch polymeer (polyvinylideendifluoride). Hoewel de eerste geschikt is voor toepassingen die biocompatibiliteit vereisen, de laatste is geschikt voor productie met een hoge doorvoer.

"Het enige grote verschil tussen onze bio-geïnspireerde vezels en vezels die universeel worden gebruikt voor textiel en kleding, is dat de bio-geïnspireerde vezels kunstmatige nanostructuren bevatten, terwijl conventionele vezels allemaal een vaste kern hebben, " zei Yu. "Het vermogen van structurele engineering op de kleine dwarsdoorsnede van een vezel via een hoge doorvoer, Het hoogrenderende vezelspinproces opent een nieuwe dimensie van design:we kunnen volledig nieuwe optische en thermodynamische functies toevoegen aan vezels en textiel die uit dergelijke vezels zijn samengesteld. We zouden de synthetische vezelindustrie kunnen transformeren!"

Deze bio-geïnspireerde vezels kunnen worden gebruikt voor het maken van ultradunne zomerkleding met "airconditioning" -eigenschappen. Slechts een paar lagen van de vezels kunnen een volledig ondoorzichtig textiel vormen dat een fractie van een vel papier dik is. Toch zou het niet doorschijnend worden als de drager zweet, wat een veelvoorkomend probleem is bij conventioneel textiel. Terwijl zweet de ondoorzichtigheid van gewone stoffen vermindert door het aantal vezel-lucht-interfaces die licht reflecteren, te verminderen, het zou geen invloed hebben op de luchtholtes op nanoschaal die zijn ingebed in de bio-geïnspireerde vezels. In aanvulling, ultradunne kleding gemaakt van de "poreuze" vezels zou koeling bevorderen door een combinatie van zweetverdamping, luchtstroom tussen de micro-omgeving van het menselijk lichaam en de buitenkant, en straling van lichaamswarmte naar de externe omgeving. "Dus, je kleding kan je de ultieme verkoelende ervaring geven door het collectieve effect van verdamping, convectief, en stralingskoeling, " voegde Yu toe.

De komeetmot van Madagaskar is een van de grootste ter wereld, met cocons van 6 tot 10 cm lang. De rupsen maken hun cocons in het bladerdak van Madagaskar, met veel zonlicht dat de poppen drastisch zou kunnen verwarmen als hun cocons niet hun reflecterende metaalachtige glans hadden. Deze buitengewone vezels, waarvan de filamentaire luchtholtes het resultaat kunnen zijn van natuurlijke selectie om oververhitting te voorkomen, onder de aandacht van Yu werden gebracht door Catherine Craig, directeur van de NGO Conservation door middel van armoedebestrijding, Internationale. CPALI werkt samen met boeren op het platteland in Madagaskar om duurzame middelen van bestaan ​​te ontwikkelen die zowel mensen als ecosystemen ondersteunen door inheemse hulpbronnen te cultiveren en op de markt te brengen, een product zijn de vezels die worden geproduceerd door de rupsen van de komeetmot.

Yu werkt momenteel aan het vergroten van de doorvoer van het produceren van dergelijke bio-geïnspireerde nanogestructureerde vezels. Zijn lab wil dit bereiken met minimale aanpassingen aan de gangbare praktijk van industrieel fiberpulling.

"We willen die gigantische vezelspinmachines die in de hele industrie worden gebruikt niet drastisch veranderen, " zei Yu. "In plaats daarvan willen we slimme wendingen aanbrengen in een paar cruciale stappen of componenten, zodat deze machines nanogestructureerde, in plaats van solide, vezels."

De studie is getiteld "Nanogestructureerde vezels als een veelzijdig fotonisch platform:stralingskoeling en golfgeleiding door transversale Anderson-lokalisatie."