En 2013, científicos de materiales de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard y el Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica, creció un jardín de microestructuras de cristal autoensambladas. Ahora, Los matemáticos aplicados de SEAS y Wyss han desarrollado un marco para comprender y controlar mejor la fabricación de estas microestructuras.

Juntos, los investigadores utilizaron ese marco para desarrollar microcomponentes ópticos sofisticados.

La investigación se publica en Ciencias .

Cuando se trata de la fabricación de materiales multifuncionales, la naturaleza tiene a los humanos batidos por millas. Los moluscos marinos pueden incrustar estructuras fotónicas en sus conchas curvas sin comprometer la resistencia de la concha; las esponjas de aguas profundas desarrollaron cables de fibra óptica para dirigir la luz a organismos vivos simbióticamente; y las brittlestars cubren sus esqueletos con lentes para enfocar la luz en el cuerpo y "ver" de noche. Durante el crecimiento, estas sofisticadas estructuras ópticas se sintonizan muy pequeñas, curvas bien definidas y formas huecas para guiar y atrapar mejor la luz.

La fabricación de formas complejas de inspiración biológica en el laboratorio a menudo requiere mucho tiempo y es costosa. El avance en 2013 fue liderado por la científica de materiales Joanna Aizenberg, la profesora Amy Smith Berylson de Ciencia de Materiales y Química y Biología Química y miembro principal de la facultad del Instituto Wyss y ex becario postdoctoral Wim L. Noorduin. La investigación permitió a los investigadores fabricar delicados, estructuras similares a flores en un sustrato simplemente manipulando gradientes químicos en un vaso de precipitados de fluido. Estas estructuras, compuesto de carbonato y vidrio, Forman un ramo de paredes delgadas.

Lo que le faltaba a esa investigación entonces era una comprensión cuantitativa de los mecanismos involucrados que permitirían un control aún más preciso sobre estas estructuras.

Entran los teóricos.

Inspirado en la teoría para explicar los patrones de solidificación y cristalización, L. Mahadevan, la Profesora Lola England de Valpine de Matemática Aplicada, Física, y Biología Organísmica y Evolutiva, y becario postdoctoral C. Nadir Kaplan, desarrolló un nuevo marco geométrico para explicar cómo crecieron los patrones de precipitación anteriores e incluso predijo nuevas estructuras.

Mahadevan también es miembro principal del Instituto Wyss.

En experimentos, la forma de las estructuras se puede controlar cambiando el pH de la solución en la que se fabrican las formas.

"A un pH alto, estas estructuras crecen de manera plana y se obtienen formas planas, como el costado de un jarrón, "dijo Kaplan, co-primer autor del artículo. "A pH bajo, la estructura comienza a curvarse y se obtienen estructuras helicoidales ".

Cuando Kaplan resolvió las ecuaciones resultantes en función del pH, con un parámetro matemático que sustituye al cambio químico, descubrió que podía recrear todas las formas desarrolladas por Noorduin y Aizenberg y crear otras nuevas.

"Una vez que entendimos el crecimiento y la forma de estas estructuras y pudimos cuantificarlas, nuestro objetivo era usar la teoría para idear una estrategia para construir estructuras ópticas de abajo hacia arriba, "dijo Kaplan.

Kaplan y Noorduin trabajaron juntos para hacer crecer resonadores, guías de ondas y divisores de haz.

"Cuando teníamos el marco teórico, pudimos mostrar el mismo proceso experimentalmente, "dijo Noorduin, co-primer autor. "No solo pudimos cultivar estas microestructuras, pero también pudimos demostrar su capacidad para conducir la luz ".

Noorduin es ahora líder de grupo en la organización holandesa de investigación de materiales AMOLF.

"El enfoque puede proporcionar un estrategia económica y precisa para fabricar microestructuras tridimensionales complejas, que no se pueden fabricar de arriba hacia abajo y adaptarlos para magnéticos, electrónico, o aplicaciones ópticas, "dijo Joanna Aizenberg, coautor del artículo.

"Nuestra teoría revela que, además del crecimiento, Las estructuras de carbonato-sílice también pueden sufrir flexiones a lo largo del borde de sus paredes delgadas, "dijo Mahadevan, el autor principal del artículo. "Este grado adicional de libertad normalmente falta en los cristales convencionales, como un copo de nieve en crecimiento. Esto apunta a un nuevo tipo de mecanismo de crecimiento en la mineralización, y debido a que la teoría es independiente de la escala absoluta, puede adaptarse a otros fenómenos de crecimiento con restricciones geométricas en sistemas físicos y biológicos ".

Próximo, los investigadores esperan modelar cómo los grupos de estas estructuras compiten entre sí por los productos químicos, como árboles en un bosque que compiten por la luz del sol.