Una nuova ricerca ha dimostrato come la nano-architettura della fibra di un baco da seta causi "la localizzazione della luce di Anderson, " una scoperta che potrebbe portare a diverse innovazioni e a una migliore comprensione del trasporto della luce e del trasferimento di calore.

La scoperta potrebbe anche aiutare a creare materiali sintetici e strutture che realizzano il fenomeno, prende il nome dal premio Nobel Philip Anderson, la cui teoria descrive come gli elettroni possono essere portati a un arresto completo nei materiali a causa della loro "dispersione e difetti". Le nuove scoperte non riguardano gli elettroni, ma per il trasporto leggero.

I ricercatori hanno dimostrato come la nanoarchitettura delle fibre di seta sia in grado di "confinare" la luce, " una caratteristica che potrebbe fornire una gamma di applicazioni tecnologiche comprese le innovazioni che sfruttano la luce per nuovi tipi di terapie mediche e biosensori. Questo effetto di confinamento della luce nei tessuti biologici e naturali, che era inaspettato, è reso possibile dalla localizzazione di Anderson della luce, disse il giovane Kim, professore associato presso la Weldon School of Biomedical Engineering della Purdue University.

Le nuove scoperte suggeriscono che le fibre di seta possono rappresentare "metamateriali naturali" e "metastrutture naturali, " ha detto Kim.

Vari gruppi di ricerca hanno creato "metamateriali" sintetici in grado di controllare la luce in modo ultra efficiente. Però, i metamateriali hanno dei limiti perché sono spesso difficili da scalare per la produzione commerciale e pongono altre sfide. Poiché la nanoarchitettura della seta è "disordinata" invece di strutture periodiche meticolosamente progettate, i risultati suggeriscono una strategia per produrre metamateriali meno costosi da fabbricare e produrre e più facili da scalare per l'industria.

"Questo è affascinante perché realizzare la localizzazione della luce di Anderson è estremamente impegnativo, eppure ora sappiamo che può essere ottenuto usando irregolari, nanostrutture disordinate per creare nanomateriali altamente impacchettati per una forte diffusione della luce come un baco da seta produce una fibra di seta e fila un guscio di bozzolo in natura, " ha detto Kim.

I risultati sono dettagliati in un articolo apparso mercoledì (31 gennaio) sulla rivista Comunicazioni sulla natura . L'autore principale del documento è il ricercatore post-dottorato di Purdue Seung Ho Choi.

"Le nostre scoperte potrebbero aprire nuove possibilità per metamateriali e metastrutture, " ha detto Kim, che sta conducendo la ricerca per comprendere meglio le ragioni alla base del bianco della seta, riflesso argenteo e brillante. "So che questo è un ossimoro, ma stiamo dicendo che le fibre di seta rappresentano "metamateriali naturali" e "metastrutture naturali"."

Le fibre di seta hanno un diametro di 10-20 micron e contengono migliaia di minuscole nanofibrille, ciascuno di circa 100 nanometri di larghezza. Per prospettiva, un capello umano ha un diametro di circa 100 micron.

Una fibra di seta ha all'interno numerosi "centri di dispersione". La localizzazione di Anderson deriva da questa dispersione della luce dovuta al disordine nella nanostruttura.

"La seta ha molte nanofibrille, che diffondono singolarmente la luce, " ha detto Kim.

Affinché si verifichi la localizzazione di Anderson, ci deve essere sia dispersione che interferenza tra le onde luminose sparse. Le nanostrutture irregolari densamente imballate fanno sì che le onde luminose interferiscano tra loro, a volte in modo distruttivo, a volte in modo costruttivo. Se costruttivo, la luce si intensifica.

"Se le onde interferiscono in modo costruttivo, questo forma un'altissima energia all'interno dei media disordinati, " disse Choi.

Le piccole dimensioni e la disposizione approssimativamente parallela delle nanofibrille favoriscono l'effetto. Il potere di diffusione è massimizzato quando ci sono molti centri di diffusione e quando la loro dimensione è paragonabile alla lunghezza d'onda della luce, entrambi i criteri riscontrati nelle fibre di seta.

Considerando che le fibre ottiche commerciali devono essere appositamente progettate con un rivestimento riflettente, o rivestimento, per consentire il confinamento della luce, le fibre di seta sono in grado di realizzare l'impresa in modo naturale grazie alla localizzazione della luce di Anderson. La localizzazione di Anderson crea "modi" che rendono possibile il confinamento della luce senza strutture periodiche accuratamente progettate. Anziché, lo stesso confinamento è possibile con disordinato, disegni più casuali.

"Abbiamo scoperto che la maggior parte della trasmissione della luce scompare nella maggior parte della superficie della seta. Tuttavia, controintuitivamente, in una piccola area abbiamo scoperto che l'energia è confinata, e questa energia confinata viene trasmessa attraverso modi localizzati, " Kim ha detto. "La modalità localizzata è un percorso unico per il flusso di energia."

Sebbene le strutture biologiche come la seta diffondano la luce, altri materiali naturali con microstrutture simili non possiedono il localizzato, modalità che rendono possibile la localizzazione della luce di Anderson.

"Tale differenza rende la seta particolarmente interessante per il trasferimento di calore radiativo". ha detto Kim. La seta ha un'elevata emissività per la luce infrarossa, il che significa che irradia facilmente calore, o radiazioni infrarosse, mentre allo stesso tempo è un buon riflettore della luce solare. Poiché la forte riflettività della localizzazione di Anderson è combinata con l'elevata emissività delle biomolecole nella radiazione infrarossa, la seta irradia più calore di quanto ne assorbe, rendendolo ideale per passivi, o "autoraffreddamento".

"Potresti aver sentito dire che la biancheria intima di seta può mantenerti più fresco d'estate e più caldo d'inverno, " Kim ha detto. "Abbiamo imparato il meccanismo di base dietro questa osservazione."

Il lavoro è guidato da ricercatori della Weldon School of Biomedical Engineering di Purdue; il Dipartimento di Biologia Agraria dell'Istituto Nazionale di Scienze Agrarie in Corea del Sud; e la direzione dei materiali e della produzione del laboratorio di ricerca dell'aeronautica statunitense. L'elenco completo dei coautori è disponibile nell'abstract.

"I nostri risultati potrebbero aprire opportunità in gran parte inesplorate per l'ingegneria, energia, e aree biomediche, " Kim ha detto. "Tuttavia, mentre potrebbero essere possibili applicazioni dirette, vogliamo davvero imparare dalla seta per aiutare a sviluppare la sintesi dei materiali e i processi di progettazione in futuro."