Uma nova pesquisa demonstrou como a nanoarquitetura da fibra de um bicho-da-seda causa "localização de luz de Anderson, "uma descoberta que pode levar a várias inovações e uma melhor compreensão do transporte de luz e transferência de calor.

A descoberta também pode ajudar a criar estruturas e materiais sintéticos que realizam o fenômeno, em homenagem ao ganhador do Prêmio Nobel Philip Anderson, cuja teoria descreve como os elétrons podem ser paralisados ​​por completo em materiais devido à sua "dispersão e defeitos". As novas descobertas não se referem aos elétrons, mas para transporte leve.

Os pesquisadores demonstraram como a nanoarquitetura das fibras de seda é capaz de confinamento leve, "um traço que poderia fornecer uma gama de aplicações tecnológicas, incluindo inovações que aproveitam a luz para novos tipos de terapias médicas e biosensores. Este efeito de confinamento de luz em tecidos biológicos e naturais, o que foi inesperado, é possível graças à localização de Anderson da luz, disse o jovem Kim, professor associado da Weldon School of Biomedical Engineering da Purdue University.

As novas descobertas sugerem que as fibras de seda podem representar "metamateriais naturais" e "metaestruturas naturais, "Kim disse.

Vários grupos de pesquisa criaram "metamateriais" sintéticos capazes de controle ultraeficiente da luz. Contudo, metamateriais têm limitações porque muitas vezes são difíceis de escalar para produção comercial e apresentam outros desafios. Como a nanoarquitetura da seda é "desordenada" em vez de estruturas periódicas meticulosamente projetadas, os resultados sugerem uma estratégia para produzir metamateriais que são menos caros para fabricar e manufaturar e mais fáceis de escalar para a indústria.

"Isso é fascinante porque perceber a localização da luz por Anderson é extremamente desafiador, mas agora sabemos que isso pode ser alcançado usando irregular, nanoestruturas desordenadas para criar nanomateriais altamente compactados para forte dispersão de luz, uma vez que um bicho-da-seda produz uma fibra de seda e gira uma casca de casulo na natureza, "Kim disse.

Os resultados são detalhados em um artigo publicado na quarta-feira (31 de janeiro) no jornal Nature Communications . O autor principal do artigo é o associado de pesquisa de pós-doutorado de Purdue, Seung Ho Choi.

"Nossas descobertas podem abrir novas possibilidades para metamateriais e metaestruturas, "disse Kim, que está conduzindo pesquisas para entender melhor as razões subjacentes para o branco da seda, reflexo prateado e brilhante. "Eu sei que isso é um oxímoro, mas estamos dizendo que as fibras de seda representam 'metamateriais naturais' e 'metaestruturas naturais'. "

As fibras de seda têm 10-20 mícrons de diâmetro e contêm milhares de minúsculas nanofibrilas, cada um com cerca de 100 nanômetros de largura. Para perspectiva, um cabelo humano tem aproximadamente 100 mícrons de diâmetro.

Uma fibra de seda possui vários "centros de dispersão" em seu interior. A localização de Anderson surge dessa dispersão de luz devido à desordem na nanoestrutura.

"A seda tem muitas nanofibrilas, que espalham luz individualmente, "Kim disse.

Para que a localização do Anderson ocorra, deve haver dispersão e interferência entre as ondas de luz dispersas. Nanoestruturas irregulares densamente compactadas fazem com que as ondas de luz interfiram umas nas outras, às vezes de forma destrutiva e às vezes de forma construtiva. Se construtivo, a luz é intensificada.

"Se as ondas estão interferindo construtivamente, isso forma uma energia muito alta dentro da mídia desordenada, "Choi disse.

O tamanho pequeno e o arranjo quase paralelo das nanofibrilas são propícios ao efeito. O poder de espalhamento é maximizado quando há muitos centros de espalhamento e quando seu tamanho é comparável ao comprimento de onda da luz, ambos os critérios encontrados nas fibras de seda.

Considerando que as fibras ópticas comerciais devem ser especialmente projetadas com um revestimento reflexivo, ou revestimento, para permitir o confinamento da luz, as fibras de seda são capazes de atingir a façanha naturalmente devido à localização da luz de Anderson. A localização de Anderson cria "modos" que tornam possível o confinamento da luz sem estruturas periódicas cuidadosamente projetadas. Em vez de, o mesmo confinamento é possível com desordenado, projetos mais aleatórios.

"Descobrimos que a maior parte da transmissão de luz desaparece na maior parte da superfície da seda. No entanto, contra-intuitivamente, em uma pequena área, descobrimos que a energia está confinada, e esta energia confinada é transmitida através de modos localizados, "Kim disse." O modo localizado é um caminho único para o fluxo de energia. "

Embora estruturas biológicas, como a luz difusa da seda, outros materiais naturais com microestruturas semelhantes não possuem a localização, modos que possibilitam a localização de luz por Anderson.

"Essa diferença torna a seda particularmente interessante para a transferência de calor por radiação." Kim disse. A seda tem alta emissividade para luz infravermelha, o que significa que irradia calor prontamente, ou radiação infravermelha, ao mesmo tempo em que é um bom refletor de luz solar. Como a forte refletividade da localização de Anderson é combinada com a alta emissividade das biomoléculas na radiação infravermelha, a seda irradia mais calor do que absorve, tornando-o ideal para passivo, ou "auto-resfriamento".

"Você deve ter ouvido que roupas íntimas de seda podem mantê-lo mais fresco no verão e mais quente no inverno, "Kim disse." Nós aprendemos o mecanismo básico por trás dessa observação.

O trabalho é liderado por pesquisadores da Weldon School of Biomedical Engineering de Purdue; o Departamento de Biologia Agrícola do Instituto Nacional de Ciências Agrárias da Coréia do Sul; e a Diretoria de Materiais e Fabricação do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea dos EUA. Uma lista completa dos co-autores está disponível no resumo.

"Nossas descobertas podem abrir oportunidades inexploradas para a engenharia, energia, e áreas biomédicas, "Kim disse." No entanto, embora aplicações diretas sejam possíveis, realmente queremos aprender com a seda para ajudar a desenvolver a síntese de materiais e processos de design no futuro. "