De nouvelles recherches ont démontré comment la nano-architecture de la fibre d'un ver à soie provoque « la localisation d'Anderson de la lumière, " une découverte qui pourrait conduire à diverses innovations et à une meilleure compréhension du transport de la lumière et du transfert de chaleur.

La découverte pourrait également aider à créer des matériaux et des structures synthétiques qui réalisent le phénomène, du nom du lauréat du prix Nobel Philip Anderson, dont la théorie décrit comment les électrons peuvent être complètement arrêtés dans les matériaux en raison de leur "diffusion et défauts". Les nouvelles découvertes ne concernent pas les électrons, mais aux transports légers.

Les chercheurs ont démontré comment la nano-architecture des fibres de soie est capable de "confinement, " un trait qui pourrait fournir une gamme d'applications technologiques, y compris des innovations qui exploitent la lumière pour de nouveaux types de thérapies médicales et de biodétection. Cet effet de confinement de la lumière dans les tissus biologiques et naturels, ce qui était inattendu, est rendu possible par la localisation Anderson de la lumière, dit le jeune Kim, professeur agrégé à la Weldon School of Biomedical Engineering de l'Université Purdue.

Les nouvelles découvertes suggèrent que les fibres de soie peuvent représenter des « métamatériaux naturels » et des « métastructures naturelles, ", a déclaré Kim.

Divers groupes de recherche ont créé des « métamatériaux » synthétiques capables d'un contrôle ultra-efficace de la lumière. Cependant, les métamatériaux ont des limites car ils sont souvent difficiles à mettre à l'échelle pour la production commerciale et posent d'autres défis. Parce que la nano-architecture de la soie est "désordonnée" au lieu de structures périodiques méticuleusement conçues, les résultats suggèrent une stratégie pour produire des métamatériaux moins coûteux à fabriquer et à fabriquer et plus faciles à mettre à l'échelle pour l'industrie.

"C'est fascinant car réaliser la localisation de la lumière par Anderson est extrêmement difficile, pourtant nous savons maintenant qu'il peut être réalisé en utilisant irrégulière, des nanostructures désordonnées pour créer des nanomatériaux hautement compactés pour une forte diffusion de la lumière, car un ver à soie produit une fibre de soie et tisse une coquille de cocon dans la nature, ", a déclaré Kim.

Les résultats sont détaillés dans un article paru mercredi (31 janvier) dans la revue Communication Nature . L'auteur principal de l'article est l'associé de recherche postdoctorale Purdue Seung Ho Choi.

"Nos découvertes pourraient ouvrir de nouvelles possibilités pour les métamatériaux et les métastructures, " dit Kim, qui mène des recherches pour mieux comprendre les raisons sous-jacentes du blanc de la soie, reflet argenté et brillant. "Je sais que c'est un oxymore, mais nous disons que les fibres de soie représentent des « métamatériaux naturels » et des « métastructures naturelles ».

Les fibres de soie ont un diamètre de 10 à 20 microns et contiennent des milliers de minuscules nanofibrilles, chacun environ 100 nanomètres de large. Pour le point de vue, un cheveu humain mesure environ 100 microns de diamètre.

Une fibre de soie a de nombreux "centres de diffusion" à l'intérieur. La localisation d'Anderson résulte de cette diffusion de la lumière due au désordre dans la nanostructure.

"La soie a de nombreuses nanofibrilles, qui diffusent individuellement la lumière, ", a déclaré Kim.

Pour que la localisation d'Anderson se produise, il doit y avoir à la fois diffusion et interférence entre les ondes lumineuses diffusées. Les nanostructures irrégulières densément entassées provoquent des interférences entre les ondes lumineuses, parfois de manière destructive et parfois constructive. Si constructif, la lumière est intensifiée.

« Si les ondes interfèrent de manière constructive, cela forme une énergie très élevée à l'intérieur du milieu désordonné, " dit Choi.

La petite taille et la disposition à peu près parallèle des nanofibrilles sont propices à l'effet. Le pouvoir de diffusion est maximisé lorsqu'il existe de nombreux centres de diffusion et lorsque leur taille est comparable à la longueur d'onde de la lumière, les deux critères trouvés dans les fibres de soie.

Alors que les fibres optiques commerciales doivent être spécialement conçues avec un revêtement réfléchissant, ou bardage, permettre le confinement de la lumière, les fibres de soie sont capables de réaliser l'exploit naturellement grâce à la localisation d'Anderson de la lumière. La localisation d'Anderson crée des « modes » qui rendent possible le confinement de la lumière sans structures périodiques soigneusement conçues. Au lieu, le même confinement est possible avec des désordonnés, conceptions plus aléatoires.

"Nous avons constaté que la plus grande partie de la transmission de la lumière disparaît dans la majeure partie de la surface de la soie. Cependant, contre-intuitivement, dans une petite zone, nous avons constaté que l'énergie est confinée, et cette énergie confinée est transmise par des modes localisés, " Kim a déclaré. "Le mode localisé est une voie unique pour le flux d'énergie."

Bien que les structures biologiques telles que la soie diffusent la lumière, d'autres matériaux naturels avec des microstructures similaires ne possèdent pas la localisation, modes permettant la localisation d'Anderson de la lumière.

"Une telle différence rend la soie particulièrement intéressante pour le transfert de chaleur radiative." dit Kim. La soie a une émissivité élevée pour la lumière infrarouge, ce qui signifie qu'il rayonne facilement de la chaleur, ou rayonnement infrarouge, tout en étant un bon réflecteur de lumière solaire. Parce que la forte réflectivité de la localisation d'Anderson est combinée à la forte émissivité des biomolécules dans le rayonnement infrarouge, la soie dégage plus de chaleur qu'elle n'en absorbe, le rendant idéal pour les passifs, ou "auto-refroidissant".

"Vous avez peut-être entendu dire que les sous-vêtements en soie peuvent vous garder au frais en été et au chaud en hiver, ", a déclaré Kim. "Nous avons appris le mécanisme de base derrière cette observation."

Le travail est dirigé par des chercheurs de la Weldon School of Biomedical Engineering de Purdue; le Département de biologie agricole de l'Institut national des sciences agricoles de Corée du Sud; et la Direction des matériaux et de la fabrication du Laboratoire de recherche de l'US Air Force. Une liste complète des co-auteurs est disponible dans le résumé.

"Nos découvertes pourraient ouvrir des opportunités largement inexplorées pour l'ingénierie, énergie, et les domaines biomédicaux, " dit Kim. " Cependant, tandis que des applications directes pourraient être possibles, nous voulons vraiment apprendre de la soie pour aider à développer la synthèse des matériaux et les processus de conception à l'avenir."