El brillante plumaje de las aves suele ser un placer para la vista, pero ha sido un dolor de cabeza para los científicos que han luchado por recrear las nanoestructuras fotónicas que generan esos colores en el laboratorio.
Parte del desafío es desarrollar estructuras a la incómoda escala de unos pocos cientos de nanómetros:demasiado grandes para la química molecular, pero demasiado pequeñas para la fabricación directa.
Un equipo dirigido por Eric Dufresne, profesor con nombramientos conjuntos en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Cornell Engineering y el Departamento de Física de la Facultad de Artes y Ciencias, ha desarrollado un método para diseñar eficientemente estas intrincadas nanoestructuras a través de una forma de separación de fases:un proceso similar a la forma en que el agua y el aceite se separan en el aderezo para ensaladas.
Los materiales resultantes podrían resultar útiles en una variedad de aplicaciones, desde la fabricación de pigmentos sostenibles hasta el almacenamiento de energía y la filtración.
El artículo del equipo, "La separación de microfases elásticas produce materiales bicontinuos robustos", publicado en Nature Materials . La autora principal es Carla Fernández-Rico, investigadora postdoctoral en ETH Zurich.
Durante años, Dufresne ha encontrado inspiración en el mundo natural. Al estudiar el funcionamiento interno de sistemas vivos como aves e insectos, busca descubrir nuevos mecanismos físicos que podrían informar el diseño de materiales sintéticos funcionales.
Para su último proyecto, el equipo de Dufresne se propuso crear un material "bicontinuo", que según él contiene dos "locas redes interpenetrantes" (caucho y petróleo) que están perfectamente entrelazadas en una estructura definida con precisión, pero que nunca sacrifican su propia identidad o características.
"En una esponja, lo líquido y lo sólido están entrelazados", dijo Dufresne. "Juntos, pueden hacer más que la suma de sus partes. Reunir dos materiales de manera similar a nanoescala puede desbloquear nuevas funcionalidades, pero presenta todo tipo de desafíos".
En el pasado, los científicos de materiales se centraban en dos enfoques para crear nanoestructuras bicontinuas:el autoensamblaje y la separación de fases.
"O empiezas con bloques de construcción del tamaño que estás buscando y los ensamblas. O tomas una mezcla de moléculas que no se gustan entre sí, como el aceite y el agua. Simplemente se separan por sí solas, pero es difícil". controlar el tamaño de las estructuras que construyen", dijo Dufresne. "Queríamos tener todo el control que se obtiene con el método de ensamblaje, pero manteniendo la simplicidad y el bajo costo del método de separación".
En su nuevo artículo, el equipo de Dufresne presenta una estrategia llamada Separación elástica de microfases (EMPS). El experimento inicial fue decididamente de baja tecnología. Sumergieron un trozo de caucho de silicona, es decir, "la matriz elástica", en un baño de aceite fluorado, esencialmente teflón líquido, y lo calentaron en un horno a 60 grados centígrados. Una vez que el caucho absorbió el aceite después de unos días, los investigadores lo dejaron enfriar a temperatura ambiente.
"A temperatura ambiente, al aceite y al caucho no les gusta estar en el mismo lugar. Y forman esta estructura sorprendentemente intrincada", dijo Dufresne. "Al albergar el proceso de separación dentro del caucho se evita que el aceite separado forme un gran grumo, como en el aderezo para ensaladas".
El verdadero desafío fue medir e interpretar sus resultados. Las nanoestructuras apenas eran visibles en un microscopio óptico normal, pero el material era demasiado "blando" para un microscopio electrónico. El equipo recurrió a la microscopía de fluorescencia 3D, que reveló que habían creado con éxito un material bicontinuo del tamaño deseado.
Si bien los investigadores están entusiasmados con las posibilidades de su nuevo enfoque, todavía no están seguros de cómo funciona.
"Podemos dar un montón de razones por las que no debería haber funcionado, pero funcionó", dijo Dufresne. "Por eso no es sólo una interesante contribución de ingeniería, sino también una interesante cuestión de física, porque realmente no sabemos cuál es el mecanismo real. Sabemos que podemos obtener una variedad de diferentes tipos de estructuras, que podemos ajustar cambiando Los diferentes tipos de caucho de silicona. Así que estamos tratando de entender por qué es así y cuáles son sus limitaciones. ¿Podemos hacer cosas mucho más pequeñas? Esto en realidad fue solo una prueba de concepto. para estructurar una gama más amplia de materiales para aplicaciones potencialmente útiles."
Más información: Fernández-Rico, C. et al. La separación elástica de microfases produce materiales bicontinuos robustos, Nature Materials (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01703-0. www.nature.com/articles/s41563-023-01703-0
Información de la revista: Materiales naturales
Proporcionado por la Universidad de Cornell
