Em 2013, cientistas de materiais da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS) e do Instituto Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia, cresceu um jardim de microestruturas de cristal automontadas. Agora, matemáticos aplicados em SEAS e Wyss desenvolveram uma estrutura para melhor compreender e controlar a fabricação dessas microestruturas.

Juntos, os pesquisadores usaram essa estrutura para desenvolver microcomponentes ópticos sofisticados.

A pesquisa é publicada em Ciência .

Quando se trata da fabricação de materiais multifuncionais, a natureza tem os humanos batidos por milhas. Os moluscos marinhos podem incorporar estruturas fotônicas em suas conchas curvas sem comprometer a resistência da concha; esponjas do fundo do mar desenvolveram cabos de fibra óptica para direcionar a luz para organismos simbioticamente vivos; e os brittlestars cobrem seus esqueletos com lentes para focar a luz no corpo para "ver" à noite. Durante o crescimento, essas sofisticadas estruturas ópticas se ajustam minúsculas, curvas bem definidas e formas ocas para melhor orientar e capturar a luz.

A fabricação de formas bioinspiradas complexas em laboratório costuma ser demorada e cara. A descoberta em 2013 foi liderada pela cientista de materiais Joanna Aizenberg, a Amy Smith Berylson Professora de Ciência de Materiais e Química e Biologia Química e membro do corpo docente do Wyss Institute e ex-bolsista de pós-doutorado Wim L. Noorduin. A pesquisa permitiu aos pesquisadores fabricar delicados, estruturas semelhantes a flores em um substrato simplesmente manipulando gradientes químicos em um copo de fluido. Essas estruturas, composto de carbonato e vidro, formam um buquê de paredes finas.

O que faltava àquela pesquisa então era uma compreensão quantitativa dos mecanismos envolvidos que possibilitassem um controle ainda mais preciso sobre essas estruturas.

Digite os teóricos.

Inspirado na teoria para explicar os padrões de solidificação e cristalização, L. Mahadevan, a professora de matemática aplicada Lola England de Valpine, Física, e Biologia Organísmica e Evolutiva, e pós-doutorado C. Nadir Kaplan, desenvolveu uma nova estrutura geométrica para explicar como os padrões de precipitação anteriores cresceram e até mesmo previu novas estruturas.

Mahadevan também é membro principal do Instituto Wyss.

Em experimentos, a forma das estruturas pode ser controlada alterando o pH da solução na qual as formas são fabricadas.

"Em pH alto, essas estruturas crescem de maneira plana e você obtém formas planas, como o lado de um vaso, "disse Kaplan, co-primeiro autor do artigo. "Em pH baixo, a estrutura começa a se curvar e você obtém estruturas helicoidais. "

Quando Kaplan resolveu as equações resultantes em função do pH, com um parâmetro matemático representando a mudança química, ele descobriu que poderia recriar todas as formas desenvolvidas por Noorduin e Aizenberg - e criar novas.

"Uma vez que entendemos o crescimento e a forma dessas estruturas e pudemos quantificá-las; nosso objetivo era usar a teoria para chegar a uma estratégia para construir estruturas ópticas de baixo para cima, "disse Kaplan.

Kaplan e Noorduin trabalharam juntos para aumentar os ressonadores, guias de ondas e divisores de feixe.

“Quando tínhamos o referencial teórico, fomos capazes de mostrar o mesmo processo experimentalmente, "disse Noorduin, co-primeiro autor. "Não só fomos capazes de fazer crescer essas microestruturas, mas também poderíamos demonstrar sua habilidade de conduzir luz. "

Noorduin é agora um líder de grupo na organização holandesa de pesquisa de materiais AMOLF.

"A abordagem pode fornecer um escalonável, estratégia barata e precisa para fabricar microestruturas tridimensionais complexas, que não pode ser feito por manufatura de cima para baixo e adaptá-los para magnéticos, eletrônico, ou aplicações ópticas, "disse Joanna Aizenberg, co-autor do artigo.

"Nossa teoria revela que, além do crescimento, estruturas de carbonato-sílica também podem sofrer flexão ao longo da borda de suas paredes finas, "disse Mahadevan, o autor sênior do artigo. "Esse grau adicional de liberdade normalmente não existe nos cristais convencionais, como um floco de neve crescendo. Isso aponta para um novo tipo de mecanismo de crescimento na mineralização, e porque a teoria é independente da escala absoluta, pode ser adaptado a outros fenômenos de crescimento geometricamente restritos em sistemas físicos e biológicos. "

Próximo, os pesquisadores esperam modelar como grupos dessas estruturas competem entre si por produtos químicos, como árvores em uma floresta competindo pela luz do sol.