Nel 2013, scienziati dei materiali presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e il Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering, è cresciuto un giardino di microstrutture cristalline autoassemblate. Ora, i matematici applicati di SEAS e Wyss hanno sviluppato un quadro per comprendere e controllare meglio la fabbricazione di queste microstrutture.

Insieme, i ricercatori hanno utilizzato tale struttura per coltivare sofisticati microcomponenti ottici.

La ricerca è pubblicata su Scienza .

Quando si tratta della fabbricazione di materiali multifunzionali, la natura ha fatto battere gli umani per miglia. I molluschi marini possono incorporare strutture fotoniche nei loro gusci curvi senza compromettere la resistenza del guscio; le spugne di acque profonde hanno evoluto cavi in ​​fibra ottica per dirigere la luce verso organismi viventi in simbiosi; e le stelle fragili coprono i loro scheletri con lenti per focalizzare la luce nel corpo per "vedere" di notte. Durante la crescita, queste sofisticate strutture ottiche sintonizzano minuscole, curve ben definite e forme cave per guidare e intrappolare meglio la luce.

La produzione di forme complesse ispirate alla biologia in laboratorio è spesso lunga e costosa. La svolta nel 2013 è stata guidata dalla scienziata dei materiali Joanna Aizenberg, l'Amy Smith Berylson Professore di Scienza dei Materiali e Chimica e Biologia Chimica e membro principale della facoltà del Wyss Institute ed ex borsista post-dottorato Wim L. Noorduin. La ricerca ha permesso ai ricercatori di fabbricare delicati, strutture simili a fiori su un substrato semplicemente manipolando gradienti chimici in un bicchiere di fluido. Queste strutture, composto da carbonato e vetro, formare un bouquet di pareti sottili.

Ciò che allora mancava a quella ricerca era una comprensione quantitativa dei meccanismi coinvolti che avrebbe consentito un controllo ancora più preciso su queste strutture.

Entrano i teorici.

Ispirato dalla teoria per spiegare i modelli di solidificazione e cristallizzazione, L. Mahadevan, la Lola England de Valpine Professore di Matematica Applicata, Fisica, e Biologia Organistica ed Evoluzionistica, e borsista post-dottorato C. Nadir Kaplan, ha sviluppato una nuova struttura geometrica per spiegare come sono cresciuti i precedenti modelli di precipitazioni e persino previsto nuove strutture.

Mahadevan è anche membro principale del Wyss Institute.

Negli esperimenti, la forma delle strutture può essere controllata modificando il pH della soluzione in cui sono fabbricate le forme.

"A pH elevato, queste strutture crescono in maniera piatta e si ottengono forme piatte, come lato di un vaso, " disse Kaplan, co-primo autore dell'articolo. "A pH basso, la struttura inizia a curvarsi e si ottengono strutture elicoidali."

Quando Kaplan ha risolto le equazioni risultanti in funzione del pH, con un parametro matematico che sostituisce il cambiamento chimico, scoprì che poteva ricreare tutte le forme sviluppate da Noorduin e Aizenberg e inventarne di nuove.

"Una volta che abbiamo compreso la crescita e la forma di queste strutture e abbiamo potuto quantificarle; il nostro obiettivo era usare la teoria per elaborare una strategia per costruire strutture ottiche dal basso verso l'alto, " disse Kaplan.

Kaplan e Noorduin hanno lavorato insieme per far crescere i risonatori, guide d'onda e divisori di fascio.

"Quando abbiamo avuto il quadro teorico, siamo stati in grado di mostrare lo stesso processo sperimentalmente, " disse Noorduin, co-primo autore. "Non solo siamo stati in grado di far crescere queste microstrutture, ma potremmo anche dimostrare la loro capacità di condurre la luce."

Noorduin è ora a capo di un gruppo presso l'organizzazione olandese di ricerca sui materiali AMOLF.

"L'approccio può fornire una scalabile, strategia economica e accurata per fabbricare complesse microstrutture tridimensionali, che non possono essere realizzati dalla produzione dall'alto verso il basso e adattarli per magnetici, elettronico, o applicazioni ottiche, " ha detto Joanna Aizenberg, coautore del paper.

"La nostra teoria rivela che, oltre alla crescita, le strutture carbonato-siliciche possono anche subire piegature lungo il bordo delle loro pareti sottili, " disse Mahadevan, l'autore anziano dell'articolo. "Questo ulteriore grado di libertà è tipicamente carente nei cristalli convenzionali, come un fiocco di neve in crescita. Ciò indica un nuovo tipo di meccanismo di crescita nella mineralizzazione, e poiché la teoria è indipendente dalla scala assoluta, può essere adattato ad altri fenomeni di crescita geometricamente vincolati nei sistemi fisici e biologici."

Prossimo, i ricercatori sperano di modellare il modo in cui i gruppi di queste strutture competono tra loro per le sostanze chimiche, come alberi in una foresta che competono per la luce del sole.