Las telas hechas de fibras de gusanos de seda han sido apreciadas durante mucho tiempo por su hermoso brillo y frescura refrescante. Los investigadores de Columbia Engineering han descubierto que las fibras producidas por las orugas de una polilla de seda salvaje, la polilla cometa de Madagascar (Argema mittrei), son muy superiores en términos de brillo y capacidad de enfriamiento. Las fibras del capullo de la polilla cometa no solo tienen excelentes propiedades de enfriamiento, también tienen capacidades excepcionales para transmitir señales de luz e imágenes.

Dirigido por Nanfang Yu, profesor asociado de física aplicada, el equipo caracterizó las propiedades ópticas asociadas con nanoestructuras unidimensionales que encontraron en las fibras del capullo de la polilla del cometa. Quedaron tan fascinados por las propiedades inusuales de estas fibras que desarrollaron una técnica para hilar fibras artificiales que imitan las nanoestructuras y las propiedades ópticas de las fibras naturales. El estudio se publica hoy en Luz:ciencia y aplicación .

"Las fibras de la polilla del cometa son el mejor material fibroso natural para bloquear la luz solar que jamás hayamos visto. Sintetizar fibras que posean propiedades ópticas similares podría tener importantes implicaciones para la industria de las fibras sintéticas, "dijo Yu, experto en nanofotónica. "Otra propiedad sorprendente de estas fibras es que pueden guiar señales de luz o incluso transportar imágenes simples de un extremo al otro de la fibra. Esto significa que podríamos utilizarlas como material biocompatible y biorreabsorbible para señales ópticas e imágenes". transporte en aplicaciones biomédicas ".

Si bien las fibras individuales producidas por nuestros gusanos de seda domesticados parecen sólidas, cilindros transparentes bajo un microscopio óptico, el hilo individual tejido por las orugas de la polilla cometa tiene un brillo muy metálico. Las fibras de la polilla del cometa contienen una alta densidad de huecos de aire filamentosos a nanoescala que corren a lo largo de las fibras y causan una fuerte reflexión especular (similar a un espejo) de la luz. Una sola fibra con el grosor de un cabello humano, unas 50 micras de diámetro, refleja más del 70% de la luz visible. A diferencia de, para textiles comunes, incluyendo tejidos de seda, para alcanzar tal nivel de reflectividad, uno tiene que juntar muchas capas de fibras transparentes para un espesor total de aproximadamente 10 veces el de una sola fibra de polilla cometa. Además, la alta reflectividad de las fibras de la polilla del cometa se extiende mucho más allá del rango visible hacia el espectro infrarrojo, invisible para el ojo humano pero que contiene aproximadamente la mitad de la energía solar. Esta, junto con la capacidad de las fibras para absorber la luz ultravioleta (UV), los hace ideales para bloquear la luz solar, que contiene UV, visible, y componentes infrarrojos.

La capacidad de las fibras de la polilla del cometa para guiar la luz es un efecto conocido como localización transversal de Anderson, y es el resultado de los huecos de aire filamentosos a lo largo de las fibras:los huecos de aire provocan una fuerte dispersión óptica en la sección transversal de la fibra, proporcionando confinamiento lateral de la luz, pero no presenta impedimento para la propagación de la luz a lo largo de las fibras.

"Esta forma de guía de luz, que confina la luz para que se propague dentro del interior de una hebra de material sin fugas de luz hacia los lados, es muy diferente de la que se utiliza en la transmisión de luz a través de cables de fibra óptica submarinos, donde el confinamiento de la luz es proporcionado por la reflexión en el límite entre un núcleo de fibra y una capa de revestimiento, "dijo Norman Shi, autor principal del artículo y Ph.D. estudiante recién graduado del laboratorio de Yu, dijo. "Esta es la primera vez que se descubre la localización transversal de Anderson en un sistema de materiales naturales. Nuestro hallazgo abre posibles aplicaciones en el guiado de luz, transporte de imágenes, y enfoque de la luz donde se requiere biocompatibilidad ".

Una vez que el equipo de Yu había caracterizado las fibras de la polilla del cometa, luego se pusieron a inventar nuevos métodos de extracción de fibras que emulan el mecanismo de hilado de fibras de la oruga de la polilla cometa para crear fibras incrustadas con una alta densidad de huecos de partículas o filamentosos. Los investigadores lograron una densidad de vacíos varias veces mayor que la que se encuentra en las fibras naturales:una sola fibra bioinspirada es capaz de reflejar ~ 93% de la luz solar. Produjeron estas fibras bioinspiradas utilizando dos materiales:un material natural (seda regenerada, es decir., precursor líquido de las fibras de seda) y un polímero sintético (difluoruro de polivinilideno). Mientras que el primero es adecuado para aplicaciones que requieren biocompatibilidad, este último es adecuado para una producción de alto rendimiento.

"La única diferencia principal entre nuestras fibras bioinspiradas y las fibras utilizadas universalmente para textiles y prendas de vestir es que las fibras bioinspiradas contienen nanoestructuras diseñadas, mientras que todas las fibras convencionales tienen un núcleo sólido, "Yu dijo." La capacidad de la ingeniería estructural en la pequeña sección transversal de una fibra a través de un alto rendimiento, El proceso de hilado de fibras de alto rendimiento abre una nueva dimensión de diseño:podemos infundir funciones ópticas y termodinámicas completamente novedosas en fibras y textiles compuestos por tales fibras. ¡Podríamos transformar la industria de las fibras sintéticas! "

Estas fibras bioinspiradas podrían usarse para hacer ropa de verano ultradelgada con propiedades de "aire acondicionado". Solo unas pocas capas de las fibras podrían hacer un tejido totalmente opaco que tiene una fracción de una hoja de papel de grosor. Sin embargo, no se volvería traslúcido cuando el usuario suda, que es un problema común con los textiles convencionales. Mientras que el sudor reduce la opacidad de las telas comunes al reducir la cantidad de interfaces fibra-aire que reflejan la luz, no afectaría los vacíos de aire a nanoescala incrustados en las fibras bioinspiradas. Además, La ropa ultradelgada hecha de fibras "porosas" promovería el enfriamiento a través de una combinación de evaporación del sudor, flujo de aire entre el microambiente del cuerpo humano y el exterior, y radiación del calor corporal al ambiente externo. "Por lo tanto, su ropa podría brindarle la mejor experiencia de enfriamiento a través del efecto colectivo de evaporación, convectivo y enfriamiento radiativo, "Añadió Yu.

La polilla cometa de Madagascar es una de las más grandes del mundo, con capullos de 6 a 10 cm de largo. Las orugas hacen sus capullos en las copas de los árboles de Madagascar, con mucha luz solar que podría calentar drásticamente las pupas si sus capullos no poseyeran su brillo metálico reflectante. Estas extraordinarias fibras, cuyos huecos de aire filamentosos podrían ser el resultado de la selección natural para evitar el sobrecalentamiento, fueron traídos a la atención de Yu por Catherine Craig, director de la ONG Conservación a través del alivio de la pobreza, Internacional. CPALI trabaja con agricultores rurales en Madagascar para desarrollar medios de vida sostenibles que apoyen tanto a las personas como a los ecosistemas mediante el cultivo y la comercialización de recursos nativos. un producto son las fibras producidas por las orugas de la polilla cometa.

Yu está trabajando actualmente para aumentar el rendimiento de la producción de tales fibras nanoestructuradas bioinspiradas. Su laboratorio quiere lograr esto con modificaciones mínimas a la práctica común de tracción de fibra industrial.

"No queremos cambiar drásticamente esas gigantescas máquinas de hilar de fibra que se utilizan en toda la industria, ", dijo Yu." En su lugar, queremos introducir giros inteligentes en algunos pasos o componentes críticos para que estas máquinas puedan producir nanoestructurados, en lugar de sólido, fibras ".

El estudio se titula "Fibras nanoestructuradas como una plataforma fotónica versátil:enfriamiento radiativo y guía de ondas a través de la localización transversal de Anderson".