Una nueva investigación ha demostrado cómo la nanoarquitectura de la fibra de un gusano de seda provoca la "localización de la luz de Anderson, "un descubrimiento que podría dar lugar a diversas innovaciones y una mejor comprensión del transporte ligero y la transferencia de calor.

El descubrimiento también podría ayudar a crear materiales sintéticos y estructuras que realicen el fenómeno. nombrado en honor al premio Nobel Philip Anderson, cuya teoría describe cómo los electrones pueden detenerse por completo en los materiales debido a su "dispersión y defectos". Los nuevos hallazgos no se relacionan con los electrones, sino al transporte ligero.

Los investigadores demostraron cómo la nanoarquitectura de las fibras de seda es capaz de "confinamiento, "un rasgo que podría proporcionar una gama de aplicaciones tecnológicas que incluyen innovaciones que aprovechan la luz para nuevos tipos de terapias médicas y biosensores. Este efecto de confinamiento de la luz en tejidos biológicos y naturales, que fue inesperado, es posible gracias a la localización de la luz de Anderson, dijo Young Kim, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Biomédica Weldon de la Universidad de Purdue.

Los nuevos hallazgos sugieren que las fibras de seda pueden representar "metamateriales naturales" y "metaestructuras naturales, "Dijo Kim.

Varios grupos de investigación han creado "metamateriales" sintéticos capaces de un control ultraeficiente de la luz. Sin embargo, Los metamateriales tienen limitaciones porque a menudo son difíciles de escalar para la producción comercial y plantean otros desafíos. Debido a que la nanoarquitectura de la seda está "desordenada" en lugar de estructuras periódicas diseñadas meticulosamente, Los hallazgos sugieren una estrategia para producir metamateriales que sean menos costosos de fabricar y fabricar y más fáciles de escalar para la industria.

"Esto es fascinante porque darse cuenta de la localización de la luz de Anderson es extremadamente desafiante, sin embargo, ahora sabemos que se puede lograr utilizando irregulares, nanoestructuras desordenadas para crear nanomateriales altamente empaquetados para una fuerte dispersión de la luz, ya que un gusano de seda produce una fibra de seda y hace girar una cáscara de capullo en la naturaleza, "Dijo Kim.

Los hallazgos se detallan en un artículo que aparece el miércoles (31 de enero) en la revista. Comunicaciones de la naturaleza . El autor principal del artículo es el investigador postdoctoral asociado de Purdue, Seung Ho Choi.

"Nuestros hallazgos podrían abrir nuevas posibilidades para metamateriales y metaestructuras, "dijo Kim, que lidera la investigación para comprender mejor las razones subyacentes del blanco de la seda, reflejo plateado y brillante. "Sé que esto es un oxímoron, pero decimos que las fibras de seda representan 'metamateriales naturales' y 'metaestructuras naturales' ".

Las fibras de seda tienen un diámetro de 10 a 20 micrones y contienen miles de diminutas nanofibrillas, cada uno alrededor de 100 nanómetros de ancho. Para tener perspectiva un cabello humano tiene aproximadamente 100 micrones de diámetro.

Una fibra de seda tiene numerosos "centros de dispersión" en su interior. La localización de Anderson surge de esta dispersión de luz debido al desorden en la nanoestructura.

"La seda tiene muchas nanofibrillas, que dispersan la luz individualmente, "Dijo Kim.

Para que ocurra la localización de Anderson, debe haber tanto dispersión como interferencia entre las ondas de luz dispersas. Las nanoestructuras irregulares densamente empaquetadas hacen que las ondas de luz interfieran entre sí, a veces de forma destructiva y otras de manera constructiva. Si es constructivo, la luz se intensifica.

"Si las ondas interfieren de manera constructiva, esto forma una energía muy alta dentro de los medios desordenados, "Dijo Choi.

El pequeño tamaño y la disposición aproximadamente paralela de las nanofibrillas favorecen el efecto. El poder de dispersión se maximiza cuando hay muchos centros de dispersión y cuando su tamaño es comparable a la longitud de onda de la luz, Ambos criterios se encuentran en las fibras de seda.

Considerando que las fibras ópticas comerciales deben estar especialmente diseñadas con un revestimiento reflectante, o revestimiento, para permitir el confinamiento de la luz, las fibras de seda pueden lograr la hazaña de forma natural gracias a la localización de la luz de Anderson. La localización de Anderson crea "modos" que hacen posible el confinamiento de la luz sin estructuras periódicas cuidadosamente diseñadas. En lugar de, el mismo confinamiento es posible con desorden, diseños más aleatorios.

"Descubrimos que la mayor parte de la transmisión de luz desaparece en la mayor parte de la superficie de la seda. Sin embargo, contraintuitivamente, en un área pequeña encontramos que la energía está confinada, y esta energía confinada se transmite a través de modos localizados, "Dijo Kim." El modo localizado es una vía única para el flujo de energía ".

Aunque las estructuras biológicas como la seda difunden la luz, otros materiales naturales con microestructuras similares no poseen el localizado, modos que hacen posible la localización Anderson de la luz.

"Esta diferencia hace que la seda sea particularmente interesante para la transferencia de calor por radiación". Dijo Kim. La seda tiene una alta emisividad para la luz infrarroja, lo que significa que irradia calor fácilmente, o radiación infrarroja, siendo al mismo tiempo un buen reflector de luz solar. Debido a que la fuerte reflectividad de la localización de Anderson se combina con la alta emisividad de las biomoléculas en la radiación infrarroja, la seda irradia más calor del que absorbe, haciéndolo ideal para pasivo, o "autoenfriamiento".

"Es posible que haya escuchado que la ropa interior de seda puede mantenerlo más fresco en verano y más cálido en invierno, ", Dijo Kim." Hemos aprendido el mecanismo básico detrás de esta observación ".

El trabajo está dirigido por investigadores de la Escuela de Ingeniería Biomédica Weldon de Purdue; el Departamento de Biología Agrícola del Instituto Nacional de Ciencias Agrícolas de Corea del Sur; y la Dirección de Materiales y Fabricación del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de EE. UU. Una lista completa de coautores está disponible en el resumen.

"Nuestros hallazgos podrían abrir oportunidades en gran parte inexploradas para la ingeniería, energía, y áreas biomédicas, "Dijo Kim." Sin embargo, mientras que las aplicaciones directas podrían ser posibles, realmente queremos aprender de la seda para ayudar a desarrollar procesos de diseño y síntesis de materiales en el futuro ".