En 2013, scientifiques des matériaux à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et au Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering, a fait pousser un jardin de microstructures cristallines auto-assemblées. Maintenant, les mathématiciens appliqués de SEAS et Wyss ont développé un cadre pour mieux comprendre et contrôler la fabrication de ces microstructures.

Ensemble, les chercheurs ont utilisé ce cadre pour développer des microcomposants optiques sophistiqués.

La recherche est publiée dans Science .

Lorsqu'il s'agit de la fabrication de matériaux multifonctionnels, la nature a les humains battus à des kilomètres. Les mollusques marins peuvent intégrer des structures photoniques dans leurs coquilles incurvées sans compromettre la résistance de la coquille; les éponges des grands fonds ont développé des câbles à fibres optiques pour diriger la lumière vers des organismes vivants en symbiose; et les ophiures couvrent leurs squelettes de lentilles pour concentrer la lumière dans le corps pour « voir » la nuit. Au cours de la croissance, ces structures optiques sophistiquées s'accordent minuscules, des courbes bien définies et des formes creuses pour mieux guider et piéger la lumière.

La fabrication de formes complexes bio-inspirées en laboratoire est souvent longue et coûteuse. La percée de 2013 a été menée par les scientifiques des matériaux Joanna Aizenberg, le professeur Amy Smith Berylson de science des matériaux, de chimie et de biologie chimique et membre principal du corps professoral du Wyss Institute et ancien boursier postdoctoral Wim L. Noorduin. La recherche a permis aux chercheurs de fabriquer de délicats, des structures ressemblant à des fleurs sur un substrat en manipulant simplement des gradients chimiques dans un bécher de fluide. Ces structures, composé de carbonate et de verre, forment un bouquet de parois minces.

Ce qui manquait alors à cette recherche, c'était une compréhension quantitative des mécanismes impliqués qui permettrait un contrôle encore plus précis de ces structures.

Entrez les théoriciens.

Inspiré par la théorie pour expliquer les schémas de solidification et de cristallisation, L. Mahadevan, le professeur Lola England de Valpine de mathématiques appliquées, La physique, et Biologie Organique et Évolutive, et stagiaire postdoctoral C. Nadir Kaplan, développé un nouveau cadre géométrique pour expliquer comment les modèles de précipitations précédents ont augmenté et même prédit de nouvelles structures.

Mahadevan est également membre principal du Wyss Institute.

Dans les expériences, la forme des structures peut être contrôlée en changeant le pH de la solution dans laquelle les formes sont fabriquées.

« À pH élevé, ces structures se développent de manière plate et vous obtenez des formes plates, comme le côté d'un vase, " dit Kaplan, co-premier auteur de l'article. "A faible pH, la structure commence à se courber et vous obtenez des structures hélicoïdales."

Lorsque Kaplan a résolu les équations résultantes en fonction du pH, avec un paramètre mathématique remplaçant le changement chimique, il a découvert qu'il pouvait recréer toutes les formes développées par Noorduin et Aizenberg et en trouver de nouvelles.

« Une fois que nous avons compris la croissance et la forme de ces structures et que nous avons pu les quantifier ; notre objectif était d'utiliser la théorie pour proposer une stratégie pour construire des structures optiques de bas en haut, " a déclaré Kaplan.

Kaplan et Noorduin ont travaillé ensemble pour développer des résonateurs, guides d'ondes et séparateurs de faisceaux.

"Quand on avait le cadre théorique, nous avons pu montrer expérimentalement le même processus, " dit Noorduin, co-premier auteur. "Non seulement nous avons pu faire croître ces microstructures, mais nous avons également pu démontrer leur capacité à conduire la lumière."

Noorduin est maintenant chef de groupe au sein de l'organisation néerlandaise de recherche sur les matériaux AMOLF.

« L'approche peut fournir une solution évolutive, stratégie peu coûteuse et précise pour fabriquer des microstructures tridimensionnelles complexes, qui ne peuvent pas être fabriqués par fabrication descendante et les adapter pour magnétique, électronique, ou applications optiques, " a déclaré Joanna Aizenberg, co-auteur de l'article.

"Notre théorie révèle que, en plus de la croissance, les structures carbonatées-silices peuvent également subir une flexion le long du bord de leurs parois minces, " dit Mahadevan, l'auteur principal de l'article. "Ce degré de liberté supplémentaire fait généralement défaut dans les cristaux conventionnels, comme un flocon de neige en croissance. Cela indique un nouveau type de mécanisme de croissance dans la minéralisation, et parce que la théorie est indépendante de l'échelle absolue, il peut être adapté à d'autres phénomènes de croissance contraints géométriquement dans les systèmes physiques et biologiques.

Prochain, les chercheurs espèrent modéliser comment des groupes de ces structures se font concurrence pour les produits chimiques, comme des arbres dans une forêt en compétition pour la lumière du soleil.