I tessuti realizzati con fibre di baco da seta sono stati a lungo apprezzati per la loro bella lucentezza e freschezza rinfrescante. I ricercatori della Columbia Engineering hanno scoperto che le fibre prodotte dai bruchi di una falena della seta selvatica, la falena cometa del Madagascar (Argema mittrei), sono di gran lunga superiori in termini di brillantezza e capacità di raffreddamento. Non solo le fibre del bozzolo della falena cometa hanno eccezionali proprietà di raffreddamento, hanno anche capacità eccezionali per la trasmissione di segnali luminosi e immagini.

Guidato da Nanfang Yu, professore associato di fisica applicata, il team ha caratterizzato le proprietà ottiche associate alle nanostrutture unidimensionali che hanno trovato nelle fibre del bozzolo di falena cometa. Erano così affascinati dalle proprietà insolite di queste fibre che hanno sviluppato una tecnica per filare le fibre artificiali che imitano le nanostrutture e le proprietà ottiche delle fibre naturali. Lo studio è pubblicato oggi in Luce:scienza e applicazione .

"Le fibre di falena cometa sono il miglior materiale fibroso naturale per bloccare la luce solare che abbiamo mai visto. La sintesi di fibre che possiedono proprietà ottiche simili potrebbe avere importanti implicazioni per l'industria delle fibre sintetiche, " ha detto Yu, un esperto di nanofotonica. "Un'altra straordinaria proprietà di queste fibre è che possono guidare segnali luminosi o persino trasportare semplici immagini da un'estremità all'altra della fibra. Ciò significa che potremmo essere in grado di usarle come materiale biocompatibile e bioriassorbibile per segnali ottici e immagini. trasporto nelle applicazioni biomediche".

Mentre le singole fibre prodotte dai nostri bachi da seta domestici sembrano solide, cilindri trasparenti al microscopio ottico, il singolo filo filato dai bruchi della falena cometa ha una lucentezza altamente metallica. Le fibre di falena cometa contengono un'alta densità di vuoti d'aria filamentosi su scala nanometrica che corrono lungo le fibre e causano una forte riflessione speculare (simile a uno specchio) della luce. Una singola fibra con lo spessore di un capello umano, circa 50 micron di diametro, riflette più del 70% della luce visibile. In contrasto, per i tessuti comuni, compresi i tessuti di seta, raggiungere tale livello di riflettività, si devono mettere insieme tanti strati di fibre trasparenti per uno spessore totale di circa 10 volte quello di una singola fibra di falena cometa. Inoltre, l'elevata riflettività delle fibre di falena cometa si estende ben oltre la gamma visibile nello spettro infrarosso, invisibile all'occhio umano ma contenente circa la metà dell'energia solare. Questo, insieme alla capacità delle fibre di assorbire la luce ultravioletta (UV), li rende ideali per bloccare la luce solare, che contiene UV, visibile, e componenti infrarossi.

La capacità delle fibre di falena della cometa di guidare la luce è un effetto noto come localizzazione trasversale di Anderson, ed è il risultato dei vuoti d'aria filamentosi lungo le fibre:i vuoti d'aria causano una forte dispersione ottica nella sezione trasversale della fibra, fornendo un confinamento laterale della luce, ma non presentando impedimenti alla propagazione della luce lungo le fibre.

"Questa forma di guida della luce, che limita la luce a propagarsi all'interno di un filo di materiale senza dispersione di luce laterale, è molto diversa da quella utilizzata nella trasmissione della luce attraverso cavi in ​​fibra ottica sottomarini, dove il confinamento della luce è fornito dalla riflessione al confine tra un nucleo di fibra e uno strato di rivestimento, " ha detto Norman Shi, autore principale dell'articolo e un dottorato di ricerca. studente recentemente laureato presso il laboratorio di Yu, disse. "Questa è la prima volta che la localizzazione trasversale di Anderson è stata scoperta in un sistema di materiali naturali. La nostra scoperta apre potenziali applicazioni nella guida della luce, trasporto di immagini, e focalizzazione della luce dove è richiesta la biocompatibilità."

Una volta che il team di Yu ha caratterizzato le fibre della falena cometa, hanno quindi iniziato a inventare nuovi metodi di trazione delle fibre che emulano il meccanismo di rotazione delle fibre del bruco della falena cometa per creare fibre incorporate con un'alta densità di particolato o vuoti filamentosi. I ricercatori hanno ottenuto una densità di vuoti diverse volte superiore a quella riscontrata nelle fibre naturali:una singola fibra bioispirata è in grado di riflettere circa il 93% della luce solare. Hanno prodotto queste fibre bioispirate utilizzando due materiali:un materiale naturale (seta rigenerata, cioè., precursore liquido delle fibre di seta) e un polimero sintetico (polivinilidendifluoruro). Mentre il primo è adatto per applicazioni che richiedono biocompatibilità, quest'ultimo è adatto per produzioni ad alto rendimento.

"L'unica grande differenza tra le nostre fibre bioispirate e le fibre utilizzate universalmente per i tessuti e l'abbigliamento è che le fibre bioispirate contengono nanostrutture ingegnerizzate, considerando che le fibre convenzionali hanno tutte un nucleo solido, " Yu ha detto. "La capacità dell'ingegneria strutturale sulla minuscola sezione trasversale di una fibra tramite un alto rendimento, Il processo di filatura delle fibre ad alto rendimento apre una nuova dimensione del design:possiamo infondere funzioni ottiche e termodinamiche completamente nuove in fibre e tessuti composti da tali fibre. Potremmo trasformare l'industria delle fibre sintetiche!"

Queste fibre bioispirate potrebbero essere utilizzate per realizzare abiti estivi ultrasottili con proprietà di "aria condizionata". Bastano pochi strati di fibre per creare un tessuto totalmente opaco che è una frazione di un foglio di carta di spessore. Eppure non diventerebbe traslucido quando chi lo indossa suda, che è un problema comune con i tessuti convenzionali. Mentre il sudore riduce l'opacità dei tessuti comuni riducendo il numero di interfacce fibra-aria che riflettono la luce, non influenzerebbe i vuoti d'aria su scala nanometrica incorporati nelle fibre bioispirate. Inoltre, l'abbigliamento ultrasottile realizzato con le fibre "porose" favorirebbe il raffreddamento attraverso una combinazione di evaporazione del sudore, flusso d'aria tra il microambiente del corpo umano e l'esterno, e irraggiamento del calore corporeo verso l'ambiente esterno. "Così, i tuoi vestiti potrebbero darti la migliore esperienza di raffreddamento attraverso l'effetto collettivo dell'evaporazione, convettivo, e raffreddamento radiativo, " Ha aggiunto Yu.

La falena cometa del Madagascar è una delle più grandi al mondo, con bozzoli lunghi da 6 a 10 cm. I bruchi fanno i loro bozzoli nella chioma degli alberi del Madagascar, con molta luce solare che potrebbe riscaldare drasticamente le pupe se i loro bozzoli non possedessero la loro lucentezza metallica riflettente. Queste fibre straordinarie, i cui vuoti d'aria filamentosi potrebbero essere il risultato della selezione naturale per prevenire il surriscaldamento, sono stati portati all'attenzione di Yu da Catherine Craig, direttore della ONG Conservation through Poverty Alleviation, Internazionale. CPALI lavora con gli agricoltori rurali in Madagascar per sviluppare mezzi di sussistenza sostenibili che supportano sia le persone che gli ecosistemi coltivando e commercializzando risorse autoctone, un prodotto sono le fibre prodotte dai bruchi della falena cometa.

Yu sta attualmente lavorando per aumentare la produttività della produzione di tali fibre nanostrutturate bioispirate. Il suo laboratorio vuole raggiungere questo obiettivo con modifiche minime alla pratica comune della trazione industriale della fibra.

"Non vogliamo cambiare drasticamente quei giganteschi filatoi per fibre in uso in tutto il settore, " ha detto Yu. "Vogliamo invece introdurre modifiche intelligenti ad alcuni passaggi o componenti critici in modo che queste macchine possano produrre nanostrutturati, piuttosto che solido, fibre".

Lo studio è intitolato "Fibre nanostrutturate come piattaforma fotonica versatile:raffreddamento radiativo e guida d'onda attraverso la localizzazione trasversale di Anderson".