Metamaterialen zijn door de mens gemaakte stoffen waarvan de eigenschappen worden bepaald door hun zorgvuldig ontworpen structuur. Bijvoorbeeld, metamaterialen kunnen zo worden gefabriceerd dat ze op een specifieke manier met licht of geluid interageren. Unieke oppervlaktestructuren spelen een cruciale rol in metamaterialen, en wetenschappers zijn naar de natuur zelf gaan kijken voor oppervlakken met patronen om inspiratie uit te putten.

Nutsvoorzieningen, Kotara Kajikawa en Yuusuke Ebihara aan het Tokyo Institute of Technology, samen met Masayuki Shimojo aan het Shibaura Institute of Technology, Japan, hebben een nieuw 'biometamateriaal' gefabriceerd met een lotusblad als sjabloon. De nieuwe stof is in staat tot bijna totale absorptie van licht over het gehele zichtbare spectrum.

De onderzoekers maakten gebruik van de unieke structuur van de cellen op het oppervlak van een lotusblad. De trilhaartjes op de bladeren hebben de vorm van kleine, willekeurig georiënteerd, macaroni-achtige nanostaafjes, elk met een diameter van ongeveer 100 nanometer (nm) (zie afbeelding). Het team veronderstelde dat een dergelijke structuur het licht effectief zou kunnen beperken.

Kajikawa en zijn collega's bedekten een aantal verschillende bladeren met een dunne laag goudfilm, op twee verschillende manieren toegepast. Vacuümverdamping met behulp van thermische verwarming vernietigde de nanostaafstructuren op het bladoppervlak, maar een spuittechniek met 'sputteren' was veel succesvoller. De resulterende gouden coating varieerde in dikte van 10 nm tot 30 nm op verschillende monsters. Evenals lotusbladeren, ze gebruikten ook bladeren van drie andere planten als controle.

De onderzoekers ontdekten dat het 10 nm dikke gouden biometamateriaal gemaakt met lotusbladeren een reflectiviteit van minder dan 0,01 vertoonde over het hele zichtbare spectrum. Berekeningen toonden aan dat de lage reflectiviteit, wat resulteert in een bijna volledige absorptie van licht op het materiaaloppervlak, lijkt voort te komen uit de willekeurig georiënteerde nanostaafjes op het bladoppervlak.

Er wordt verder gewerkt om te zien of Kajikawa en zijn team een ​​gemakkelijke en effectieve manier kunnen vinden om het gouden biometamateriaal van het bladsjabloon te verwijderen zodra het is gemaakt.

Vooruitgang in metamaterialen

Het maken van synthetische materialen om elektromagnetische golven te manipuleren is geen nieuw concept. Inderdaad, het idee voor metamaterialen bestaat al minstens 100 jaar, maar het is pas in de afgelopen decennia dat de technologie echt van de grond komt. Door de vorm te ontwerpen, geometrie en oriëntatie van een materiaal met precieze nauwkeurigheid, eigenschappen kunnen worden bereikt die in de natuur niet mogelijk zijn.

Dit wil niet zeggen dat de natuur geen rol van betekenis speelt bij het ontwerp van dergelijke materialen. Onlangs, onderzoekers zijn begonnen met het onderzoeken van oppervlaktestructuren en celpatronen op nanoschaal in planten in de hoop dat natuurlijke oppervlakken inspiratie en sjablonen zullen bieden voor nieuwe 'biometamaterialen'.

Recente technologieën gebouwd met behulp van metamaterialen zijn onder meer lichtabsorbers, sensoren, optische filters en verhulapparaten, er enkele noemen. Er is een groot potentieel voor nieuwe metamateriaalontwerpen met unieke en precieze eigenschappen.

Methodologie

Het biometamateriaal dat door Kotaro Kajikawa en collega's is vervaardigd, maakt gebruik van de unieke structuren op nanoschaal op lotusbladeren, waarvan de primaire rol is om een ​​zeer waterafstotend oppervlak op de bladeren te creëren. Deze structuren hebben de vorm van willekeurig georiënteerde nanostaafjes, waarvan het team geloofde dat het een nuttig sjabloon zou zijn voor een metamateriaal dat is ontworpen om licht te absorberen.

De onderzoekers hebben twee methoden uitgeprobeerd om een ​​op goud gebaseerd metamateriaal op het oppervlak van de bladeren te maken:vacuümverdamping met behulp van warmte en een 'sputtertechniek'. De eerste hiervan resulteerde in een volledig gladde, gouden reflecterend oppervlak omdat de nanostaafstructuren bij verhitting waren ingestort. Sputteren werkte veel beter - scanning-elektronenmicroscopiebeelden onthulden dat de intacte willekeurig georiënteerde nanostaafjes bewaard waren gebleven, en veelbelovende resultaten werden bereikt in een biometamateriaal gemaakt van een zeer dunne 10 nm goudlaag.

Deze studie benadrukt het potentieel van het gebruik van natuurlijk voorkomende oppervlakken om zeer nauwkeurige metamaterialen voor specifieke doeleinden te genereren. Het team werkt nu aan manieren om het biometamateriaal uit het blad te verwijderen zodra het is gemaakt. een lastig proces dat volgens de onderzoekers kan worden bereikt met een vorm van chemische behandeling.