Os tecidos feitos de fibras de bicho-da-seda há muito são valorizados por seu belo brilho e frescor refrescante. Pesquisadores da Columbia Engineering descobriram que as fibras produzidas pelas lagartas de uma mariposa selvagem da seda, a mariposa do cometa de Madagascar (Argema mittrei), são muito superiores em termos de brilho e capacidade de resfriamento. Não só as fibras do casulo da mariposa cometa têm excelentes propriedades de resfriamento, eles também têm recursos excepcionais para transmitir sinais de luz e imagens.

Liderado por Nanfang Yu, professor associado de física aplicada, a equipe caracterizou as propriedades ópticas associadas às nanoestruturas unidimensionais que encontraram nas fibras do casulo da mariposa cometa. Eles ficaram tão fascinados com as propriedades incomuns dessas fibras que desenvolveram uma técnica para girar fibras artificiais que imitam as nanoestruturas e as propriedades ópticas das fibras naturais. O estudo é publicado hoje em Luz:Ciência e Aplicação .

"As fibras da traça do cometa são o melhor material fibroso natural para bloquear a luz do sol que já vimos. Sintetizar fibras com propriedades ópticas semelhantes pode ter implicações importantes para a indústria de fibras sintéticas, "disse Yu, um especialista em nanofotônica. "Outra propriedade incrível dessas fibras é que elas podem guiar sinais de luz ou mesmo transportar imagens simples de uma extremidade à outra da fibra. Isso significa que podemos ser capazes de usá-las como um material biocompatível e bioreabsorvível para sinal óptico e imagem transporte em aplicações biomédicas. "

Embora as fibras individuais produzidas por nossos bichos-da-seda domesticados pareçam sólidas, cilindros transparentes sob um microscópio óptico, o fio individual fiado pelas lagartas da mariposa cometa tem um brilho altamente metálico. As fibras da traça do cometa contêm uma alta densidade de vazios de ar filamentares em nanoescala que correm ao longo das fibras e causam uma forte reflexão especular (semelhante a um espelho) da luz. Uma única fibra com a espessura de um cabelo humano, cerca de 50 mícrons de diâmetro, reflete mais de 70% da luz visível. Em contraste, para têxteis comuns, incluindo tecidos de seda, para alcançar tal nível de refletividade, é preciso juntar muitas camadas de fibras transparentes para uma espessura total de cerca de 10 vezes a de uma única fibra da mariposa cometa. Além disso, a alta refletividade das fibras da mariposa do cometa se estende bem além da faixa visível no espectro infravermelho - invisível ao olho humano, mas contendo cerca de metade da energia solar. Esse, junto com a capacidade das fibras de absorver luz ultravioleta (UV), os torna ideais para bloquear a luz do sol, que contém UV, visível, e componentes infravermelhos.

A capacidade das fibras da mariposa do cometa de guiar a luz é um efeito conhecido como localização transversal de Anderson, e é um resultado dos vazios de ar filamentares ao longo das fibras:os vazios de ar causam forte espalhamento óptico na seção transversal da fibra, fornecendo confinamento lateral de luz, mas não apresentando impedimento para a propagação da luz ao longo das fibras.

"Esta forma de guia de luz - confinando a luz para se propagar no interior de um fio de material sem vazamento de luz lateral - é muito diferente daquela utilizada na transmissão de luz através de cabos de fibra óptica submarinos, onde o confinamento de luz é fornecido por reflexão no limite entre um núcleo de fibra e uma camada de revestimento, "disse Norman Shi, autor principal do artigo e Ph.D. estudante recém-formado no laboratório de Yu, disse. "Esta é a primeira vez que a localização transversal de Anderson foi descoberta em um sistema de materiais naturais. Nossa descoberta abre aplicações em potencial na orientação de luz, transporte de imagem, e focagem de luz onde a biocompatibilidade é necessária. "

Assim que a equipe de Yu caracterizou as fibras da mariposa do cometa, eles então começaram a inventar novos métodos de extração de fibra que emulam o mecanismo de rotação da fibra da lagarta da mariposa cometa para criar fibras embutidas com uma alta densidade de partículas ou vazios filamentosos. Os pesquisadores alcançaram uma densidade de vazios várias vezes maior do que a encontrada nas fibras naturais:uma única fibra bioinspirada é capaz de refletir ~ 93% da luz solar. Eles produziram essas fibras bioinspiradas usando dois materiais:um material natural (seda regenerada, ou seja, precursor líquido de fibras de seda) e um polímero sintético (difluoreto de polivinilideno). Embora o primeiro seja adequado para aplicações que requerem biocompatibilidade, o último é adequado para produção de alto rendimento.

"A única grande diferença entre nossas fibras bioinspiradas e fibras usadas universalmente para têxteis e vestuário é que as fibras bioinspiradas contêm nanoestruturas projetadas, Considerando que todas as fibras convencionais têm um núcleo sólido, "Yu disse." A capacidade da engenharia estrutural na seção transversal minúscula de uma fibra por meio de um alto rendimento, O processo de fiação de fibra de alto rendimento abre uma nova dimensão de design - podemos infundir funções ópticas e termodinâmicas completamente novas em fibras e têxteis compostos dessas fibras. Poderíamos transformar a indústria de fibras sintéticas! "

Essas fibras bioinspiradas poderiam ser usadas para fazer roupas de verão ultrafinas com propriedades de "ar condicionado". Apenas algumas camadas de fibras podem formar um tecido totalmente opaco com uma fração de uma folha de papel de espessura. No entanto, não se tornaria translúcido quando o usuário suasse, que é um problema comum com os têxteis convencionais. Embora o suor reduza a opacidade dos tecidos comuns, reduzindo o número de interfaces de fibra-ar que refletem a luz, não afetaria os vazios de ar em nanoescala embutidos nas fibras bioinspiradas. Além disso, roupas ultrafinas feitas de fibras "porosas" promoveriam o resfriamento por meio de uma combinação de evaporação do suor, fluxo de ar entre o microambiente do corpo humano e o exterior, e radiação de calor corporal para o ambiente externo. "Assim, suas roupas podem dar a você a melhor experiência de resfriamento por meio do efeito coletivo de evaporação, convectivo, e resfriamento radiativo, "Yu adicionou.

A mariposa do cometa de Madagascar é uma das maiores do mundo, com casulos medindo 6 a 10 cm de comprimento. As lagartas fazem seus casulos na copa das árvores de Madagascar, com bastante luz do sol que poderia aquecer drasticamente as pupas se seus casulos não possuíssem seu brilho metálico reflexivo. Essas fibras extraordinárias, cujos vazios de ar filamentares podem ser o resultado da seleção natural para evitar o superaquecimento, foram trazidos à atenção de Yu por Catherine Craig, diretor da ONG Conservation through Poverty Alleviation, Internacional. A CPALI trabalha com agricultores rurais em Madagascar para desenvolver meios de vida sustentáveis ​​que apoiem as pessoas e os ecossistemas, cultivando e comercializando recursos nativos, um produto são as fibras produzidas pelas lagartas da mariposa cometa.

Yu está atualmente trabalhando para aumentar o rendimento da produção de tais fibras nanoestruturadas bioinspiradas. Seu laboratório deseja alcançar isso com modificações mínimas na prática comum de extração de fibra industrial.

"Não queremos mudar drasticamente aquelas gigantescas máquinas de fiação de fibra em uso em toda a indústria, "disse Yu." Em vez disso, queremos introduzir mudanças inteligentes em algumas etapas ou componentes críticos para que essas máquinas possam produzir nanoestruturados, ao invés de sólido, fibras. "

O estudo é intitulado "Fibras nanoestruturadas como uma plataforma fotônica versátil:resfriamento radiativo e guia de ondas através da localização transversal de Anderson."