Les tissus fabriqués à partir de fibres de vers à soie ont longtemps été appréciés pour leur bel éclat et leur fraîcheur rafraîchissante. Des chercheurs de Columbia Engineering ont découvert que les fibres produites par les chenilles d'un papillon de la soie sauvage, la pyrale de la comète de Madagascar (Argema mittrei), sont de loin supérieurs en termes de brillance et de capacité de refroidissement. Non seulement les fibres de cocon de la comète ont des propriétés de refroidissement exceptionnelles, ils ont également des capacités exceptionnelles pour transmettre des signaux lumineux et des images.

Dirigé par Nanfang Yu, professeur agrégé de physique appliquée, l'équipe a caractérisé les propriétés optiques associées aux nanostructures unidimensionnelles qu'ils ont trouvées dans les fibres de cocon de papillon de nuit. Ils étaient tellement fascinés par les propriétés inhabituelles de ces fibres qu'ils ont développé une technique pour filer des fibres artificielles qui imitent les nanostructures et les propriétés optiques des fibres naturelles. L'étude est publiée aujourd'hui dans Lumière :Science et application .

"Les fibres de la comète sont le meilleur matériau fibreux naturel que nous ayons jamais vu pour bloquer la lumière du soleil. La synthèse de fibres possédant des propriétés optiques similaires pourrait avoir des implications importantes pour l'industrie des fibres synthétiques, " dit Yu, un expert en nanophotonique. "Une autre propriété étonnante de ces fibres est qu'elles peuvent guider des signaux lumineux ou même transporter des images simples d'un bout à l'autre de la fibre. Cela signifie que nous pourrions peut-être les utiliser comme matériau biocompatible et biorésorbable pour le signal optique et l'image transport dans les applications biomédicales.

Alors que les fibres individuelles produites par nos vers à soie domestiqués semblent solides, cylindres transparents au microscope optique, le fil individuel filé par les chenilles de la comète a un éclat très métallique. Les fibres de la pyrale des comètes contiennent une haute densité de vides d'air filamenteux à l'échelle nanométrique qui courent le long des fibres et provoquent une forte réflexion spéculaire (de type miroir) de la lumière. Une seule fibre de l'épaisseur d'un cheveu humain, environ 50 microns de diamètre, réfléchit plus de 70 % de la lumière visible. En revanche, pour les textiles courants, y compris les tissus de soie, atteindre un tel niveau de réflectivité, il faut assembler de nombreuses couches de fibres transparentes pour une épaisseur totale d'environ 10 fois celle d'une seule fibre de mite cométaire. En outre, la réflectivité élevée des fibres de la mite cométaire s'étend bien au-delà de la plage visible dans le spectre infrarouge, invisible à l'œil humain mais contenant environ la moitié de l'énergie solaire. Cette, ainsi que la capacité des fibres à absorber la lumière ultraviolette (UV), les rend idéales pour bloquer la lumière du soleil, qui contient des UV, visible, et composants infrarouges.

La capacité des fibres de la mite cométaire à guider la lumière est un effet connu sous le nom de localisation transversale d'Anderson, et résulte des vides d'air filamenteux le long des fibres :les vides d'air provoquent une forte diffusion optique dans la section transversale des fibres, assurant un confinement latéral de la lumière, mais ne présentant aucun obstacle à la propagation de la lumière le long des fibres.

"Cette forme de guidage de la lumière - confinant la lumière pour se propager à l'intérieur d'un brin de matériau sans fuite de lumière latérale - est très différente de celle utilisée dans la transmission de la lumière à travers des câbles à fibres optiques sous-marins, où le confinement de la lumière est assuré par réflexion à la frontière entre un coeur de fibre et une couche de gaine, " dit Norman Shi, auteur principal de l'article et titulaire d'un doctorat. étudiant récemment diplômé du laboratoire de Yu, mentionné. "C'est la première fois que la localisation transversale d'Anderson est découverte dans un système de matériaux naturels. Notre découverte ouvre des perspectives d'applications dans le guidage de la lumière, transport d'images, et la focalisation de la lumière là où la biocompatibilité est requise."

Une fois que l'équipe de Yu a caractérisé les fibres de la comète, ils se sont ensuite mis à inventer de nouvelles méthodes de tirage de fibres qui émulent le mécanisme de filage des fibres de la chenille de la comète pour créer des fibres incrustées d'une haute densité de vides particulaires ou filamenteux. Les chercheurs ont atteint une densité de vides plusieurs fois supérieure à celle trouvée dans les fibres naturelles :une seule fibre bio-inspirée est capable de réfléchir environ 93 % de la lumière solaire. Ils ont produit ces fibres bio-inspirées en utilisant deux matériaux :un matériau naturel (soie régénérée, c'est à dire., précurseur liquide de fibres de soie) et d'un polymère synthétique (difluorure de polyvinylidène). Alors que le premier convient aux applications nécessitant une biocompatibilité, ce dernier est adapté à la production à haut débit.

"La seule différence majeure entre nos fibres bio-inspirées et les fibres utilisées universellement pour les textiles et les vêtements est que les fibres bio-inspirées contiennent des nanostructures d'ingénierie, alors que les fibres conventionnelles ont toutes une âme pleine, " Yu a dit. " La capacité de l'ingénierie structurelle sur la section transversale minuscule d'une fibre via un haut débit, Le procédé de filage de fibres à haut rendement ouvre une nouvelle dimension de conception :nous pouvons infuser des fonctions optiques et thermodynamiques complètement nouvelles dans les fibres et les textiles composés de telles fibres. Nous pourrions transformer l'industrie des fibres synthétiques !"

Ces fibres bio-inspirées pourraient être utilisées pour la confection de vêtements d'été ultra-fins aux propriétés « air conditionné ». Juste quelques couches de fibres pourraient faire un textile totalement opaque qui est une fraction d'une feuille de papier en épaisseur. Pourtant, il ne deviendrait pas translucide lorsque le porteur transpire, qui est un problème commun avec les textiles conventionnels. Alors que la sueur réduit l'opacité des tissus courants en réduisant le nombre d'interfaces fibre-air qui réfléchissent la lumière, cela n'affecterait pas les vides d'air à l'échelle nanométrique intégrés dans les fibres bioinspirées. En outre, des vêtements ultra-minces faits de fibres « poreuses » favoriseraient le refroidissement grâce à une combinaison d'évaporation de la sueur, flux d'air entre le microenvironnement du corps humain et l'extérieur, et le rayonnement de la chaleur corporelle vers l'environnement extérieur. "Ainsi, vos vêtements pourraient vous offrir l'expérience de refroidissement ultime grâce à l'effet collectif de l'évaporation, convectif, et refroidissement radiatif, " ajouta Yu.

La comète de Madagascar est l'une des plus grandes au monde, avec des cocons de 6 à 10 cm de long. Les chenilles font leurs cocons dans la canopée de Madagascar, avec beaucoup de soleil qui pourrait considérablement chauffer les pupes si leurs cocons ne possédaient pas leur éclat métallique réfléchissant. Ces fibres extraordinaires, dont les vides d'air filamenteux pourraient être le résultat de la sélection naturelle pour éviter la surchauffe, ont été portés à l'attention de Yu par Catherine Craig, directeur de l'ONG Conservation par la réduction de la pauvreté, International. CPALI travaille avec les agriculteurs ruraux à Madagascar pour développer des moyens de subsistance durables qui soutiennent à la fois les personnes et les écosystèmes en cultivant et en commercialisant les ressources indigènes, un produit étant les fibres produites par les chenilles du papillon cométaire.

Yu travaille actuellement à augmenter le débit de production de telles fibres nanostructurées bioinspirées. Son laboratoire veut y parvenir avec des modifications minimales à la pratique courante du tirage industriel des fibres.

"Nous ne voulons pas changer radicalement ces gigantesques machines à filer les fibres utilisées dans l'industrie, " a déclaré Yu. " Au lieu de cela, nous voulons introduire des torsions intelligentes à quelques étapes ou composants critiques afin que ces machines puissent produire des nanostructures, plutôt que solide, fibres."

L'étude s'intitule « Fibres nanostructurées en tant que plate-forme photonique polyvalente :refroidissement radiatif et guidage d'ondes par la localisation transversale d'Anderson. »