Шёлковым волокнам присвоили звание высокотехнологичных "природных метаматериалов"

Физики обнаружили, что в шёлковых волокнах наблюдается редкое явление - андерсоновская локализация света.
Фото Purdue University image/Young Kim.

Натуральный шёлк – это удивительный природный материал, который имеет множество применений и продолжает проникать во всё новые области в связи со своими уникальными свойствами, а также вдохновлять учёных на создание искусственных аналогов. Тем не менее, оказалось, что мы знаем о нём далеко не всё.

Команда исследователей из Университета Пердью во главе с Янгом Кимом (Young Kim) продемонстрировала как наноструктура шёлковых волокон "запирает" свет. В ходе экспериментов обнаружилось, что происходит это благодаря Андерсоновской локализации света. Здесь стоит остановиться подробнее.

Нобелевский лауреат Филип Андерсон (Philip Anderson) в 1958 году сформулировал теорию, согласно которой при распространении света в среде с пространственной неоднородностью, где происходит многократное рассеяние и интерференция, становится невозможным существование бегущих волн. В такой ситуации колебания превращаются в так называемую стоячую волну, которая локализована в ограниченном пространстве.

Долгое время эта теория существовала только на бумаге, пока не нашла подтверждения в очень мутных средах. Но никто не ожидал обнаружить её воплощение в природной биологической ткани, такой как шёлк. Открытие и эксперименты, которые к нему привели, подробно описаны в статье, опубликованной в издании Nature Communications.

Способность контролировать свет – один из камней преткновения при создании искусственных метаматериалов (напомним, что их необычные для природы свойства обуславливаются не столько химическим составом, сколько структурными особенностями). Точнее, получить воплощение Андерсоновской локализации света пока никому не удавалось. Поэтому обнаружение столь редкого явления в натуральном шёлке не только потенциально превращает его в "природный метаматериал", но и подсказывает пути создания новых искусственных аналогов.

Шёлковое волокно тутового шелкопряда, которое и стало главным объектом исследования, имеет диаметр около 10-20 микрометров и состоит из тысяч крошечных нанофибрил размером около 100 нанометров. Расположены они довольно беспорядочно и представляют собой центры рассеивания. Многократно рассеянные световые волны в шёлковом волокне интерферируют (усиливают или "отменяют" друг друга), при этом внутри этой неупорядоченной среды накапливается энергия.

Существующие коммерческие оптические волокна для того, чтобы добиться эффекта запирания света внутри, должны быть особым способом структурно спроектированы, а в шёлковой нити благодаря Андерсоновской локализации света это происходит естественным путём. Другими словами, новое исследование показало, что упрятать свет можно и внутри беспорядочной структуры, причём с гораздо меньшими материальными затратами.

 

Шёлк излучает больше тепла (инфракрасного излучения), чем поглощает. При этом, благодаря Андерсоновской локализации, он является хорошим отражателем солнечного света, рассказывает Ким в пресс-релизе. Сочетание этих свойств делает шёлк идеальным материалом для пассивного ("самостоятельного") охлаждения.

Кстати, почитатели шёлкового белья ценят его за то, что оно даёт ощущение прохлады летом и тепла зимой, и теперь все мы знаем базовый механизм, который за это отвечает. Остаётся надеяться, что новые фундаментальные знания очень скоро найдут применение. Авторы исследования считают, что у их открытия есть хорошие перспективы в деле разработки биосенсоров и новых терапевтических методов.

Сегодня