Kleine netwerken zijn met elkaar verweven om het ontwerp van vogelkleuren na te bootsen

Het heldere verenkleed van vogels is vaak een lust voor het oog, maar het is een hoofdpijn voor wetenschappers die moeite hebben gehad om de fotonische nanostructuren die deze kleuren genereren in het laboratorium na te bootsen.

Een deel van de uitdaging is het ontwikkelen van structuren op de lastige schaal van een paar honderd nanometer: te groot voor moleculaire chemie, maar toch te klein voor directe fabricage.

Een team onder leiding van Eric Dufresne, een professor met gezamenlijke benoemingen bij het Department of Materials Science and Engineering in Cornell Engineering en het Department of Physics in het College of Arts and Sciences, heeft een methode ontwikkeld om deze ingewikkelde nanostructuren efficiënt te engineeren door middel van een vorm van fasescheiding – een proces dat lijkt op de manier waarop water en olie zich ontkoppelen in saladedressing.

De resulterende materialen kunnen nuttig zijn in een verscheidenheid aan toepassingen, van het maken van duurzame pigmenten tot energieopslag en filtratie.

Het teamdocument: “Elastische microfasescheiding produceert robuuste bicontinue materialen,” gepubliceerd in Natuurmaterialen. De hoofdauteur is Carla Fernández-Rico, een postdoctoraal onderzoeker aan de ETH Zürich.

Dufresne vindt al jaren inspiratie in de natuur. Door de innerlijke werking van levende systemen zoals vogels en insecten te bestuderen, probeert hij nieuwe fysieke mechanismen bloot te leggen die het ontwerp van functionele synthetische materialen kunnen beïnvloeden.

Voor hun nieuwste project wilde het team van Dufresne een ‘bicontinu’ materiaal creëren, dat volgens hem twee ‘gekke, onderling doordringende netwerken’ bevat – rubber en olie – die perfect met elkaar verweven zijn in een nauwkeurig gedefinieerde structuur, maar toch nooit hun eigen identiteit of identiteit opofferen. kenmerken.

“In een spons zijn vloeistof en vaste stof met elkaar verweven”, zei Dufresne. “Samen kunnen ze meer dan de som der delen. Het op nanoschaal samenbrengen van twee materialen op een vergelijkbare manier kan nieuwe functionaliteiten ontsluiten, maar brengt allerlei uitdagingen met zich mee.”

In het verleden concentreerden materiaalwetenschappers zich op twee benaderingen om bicontinue nanostructuren te maken: zelfassemblage en fasescheiding.

‘Of je begint met bouwstenen van het formaat dat je zoekt en zet ze in elkaar. Of je neemt een mix van moleculen die niet van elkaar houden, zoals olie en water. Ze gaan vanzelf uit elkaar, maar dat is moeilijk. om de afmetingen van de structuren die ze maken te controleren”, zei Dufresne. “We wilden alle controle hebben die je krijgt met de assemblagemethode, maar de eenvoud en lage kosten van de scheidingsmethode behouden.”

In hun nieuwe artikel introduceert het team van Dufresne een strategie genaamd Elastic MicroPhase Separation (EMPS). Het eerste experiment was beslist low-tech. Ze dompelden een stuk siliconenrubber (de ‘elastische matrix’) onder in een bad met gefluoreerde olie (in essentie vloeibare teflon) en verwarmden het in een oven op 60 graden Celsius. Toen de olie na een paar dagen door het rubber was opgenomen, lieten de onderzoekers het afkoelen tot kamertemperatuur.

“Bij kamertemperatuur houden de olie en het rubber er niet van om op dezelfde plek te zijn. En ze vormen een verbazingwekkend ingewikkelde structuur”, zei Dufresne. “Het scheidingsproces in rubber voorkomt dat de afgescheiden olie één grote klont vormt, zoals in saladedressing.”

De echte uitdaging was het meten en interpreteren van hun resultaten. De nanostructuren waren nauwelijks zichtbaar in een normale lichtmicroscoop, maar toch was het materiaal te “squishy” voor een elektronenmicroscoop. Het team wendde zich tot 3D-fluorescentiemicroscopie, waaruit bleek dat ze met succes een bicontinu materiaal van de gewenste grootte hadden gemaakt.

Hoewel de onderzoekers enthousiast zijn over de mogelijkheden van hun nieuwe aanpak, weten ze nog steeds niet precies hoe deze werkt.

“We kunnen een aantal redenen geven waarom het niet had moeten werken, maar het werkte”, zei Dufresne. “Daarom is het niet alleen een opwindende technische bijdrage, het is ook een opwindend natuurkundig ding, omdat we echt niet weten wat het eigenlijke mechanisme is. We weten dat we een reeks verschillende soorten structuren kunnen krijgen, die we kunnen afstemmen door ze te veranderen de verschillende soorten siliconenrubber. We proberen te begrijpen waarom dat zo is en wat de beperkingen zijn. Kunnen we dingen veel kleiner maken? Veel groter? Dit was eigenlijk alleen maar een proof of concept. Nu willen we dezelfde ideeën gebruiken om een ​​breder scala aan materialen te structureren voor potentieel nuttige toepassingen.”