Las telas hechas de fibras de gusanos de seda han sido atesoradas por su hermoso brillo y frescura refrescante. Los investigadores de Columbia Engineering han descubierto que las fibras producidas por las orugas de una polilla de seda salvaje, la polilla del cometa de Madagascar Argema mittrei, son muy superiores en términosde brillo y capacidad de enfriamiento. Las fibras de capullo de la polilla cometa no solo tienen excelentes propiedades de enfriamiento, sino que también tienen capacidades excepcionales para transmitir señales de luz e imágenes.
Dirigido por Nanfang Yu, profesor asociado de física aplicada, el equipo caracterizó las propiedades ópticas asociadas con las nanoestructuras unidimensionales que encontraron en las fibras de capullo de la polilla del cometa. Estaban tan fascinados por las propiedades inusuales de estas fibras que desarrollaron una técnica parahila fibras artificiales que imitan las nanoestructuras y las propiedades ópticas de las fibras naturales. El estudio se publica hoy en Luz: Ciencia y aplicación .
"Las fibras de la polilla cometa son el mejor material fibroso natural para bloquear la luz solar que hayamos visto. Sintetizar fibras que posean propiedades ópticas similares podría tener implicaciones importantes para la industria de la fibra sintética", dijo Yu, un experto en nanofotónica. "La propiedad de estas fibras es que pueden guiar las señales de luz o incluso transportar imágenes simples de un extremo al otro extremo de la fibra, lo que significa que podríamos usarlas como material biocompatible y bioreabsorbible para el transporte de señales ópticas e imágenes en biomedicina.aplicaciones "
Si bien las fibras individuales producidas por nuestros gusanos de seda domesticados se ven como cilindros sólidos y transparentes bajo un microscopio óptico, el hilo individual hilado por las orugas de la polilla del cometa tiene un brillo altamente metálico. Las fibras de la polilla del cometa contienen una alta densidad de huecos de aire filamentosos a nanoescala quecorre a lo largo de las fibras y causa un fuerte reflejo especular similar a un espejo de la luz. Una sola fibra con el grosor de un cabello humano, de aproximadamente 50 micras de diámetro, refleja más del 70% de la luz visible. En contraste, para textiles comunes,incluyendo telas de seda, para alcanzar tal nivel de reflectividad, uno tiene que juntar muchas capas de fibras transparentes para un grosor total de aproximadamente 10 veces el de una sola fibra de polilla cometa. Además, la alta reflectividad de las fibras de polilla cometa se extiende mucho más alláEl rango visible en el espectro infrarrojo: invisible para el ojo humano pero que contiene aproximadamente la mitad de la energía solar. Esto, junto con la capacidad de las fibras para absorber el ultravioleta UV luz, los hace ideales para bloquear la luz solar, que contiene componentes UV, visibles e infrarrojos.
La capacidad de las fibras de la polilla del cometa para guiar la luz es un efecto conocido como localización transversal de Anderson, y es el resultado de los huecos de aire filamentosos a lo largo de las fibras: los huecos de aire causan una fuerte dispersión óptica en la sección transversal de la fibra, proporcionando confinamiento lateralde luz, pero sin presentar impedimento para la propagación de la luz a lo largo de las fibras.
"Esta forma de guía de luz - confinando la luz para propagarse dentro del interior de una hebra de material sin fuga de luz lateral - es muy diferente de la utilizada en la transmisión de luz a través de cables submarinos de fibra óptica, donde el confinamiento de la luz esproporcionado por la reflexión en el límite entre un núcleo de fibra y una capa de revestimiento ", dijo Norman Shi, autor principal del artículo y estudiante de doctorado recientemente graduado del laboratorio de Yu." Esta es la primera vez que se descubre la localización transversal de Anderson enun sistema de materiales naturales. Nuestro hallazgo abre aplicaciones potenciales en guía de luz, transporte de imágenes y enfoque de luz donde se requiere biocompatibilidad ".
Una vez que el equipo de Yu caracterizó las fibras de la polilla del cometa, decidieron inventar nuevos métodos de extracción de fibra que emulan el mecanismo de hilado de la oruga de la polilla del cometa para crear fibras incrustadas con una alta densidad de partículas o huecos filamentosos. Los investigadores lograron unDensidad de huecos varias veces mayor que la encontrada en las fibras naturales: una sola fibra bioinspirada es capaz de reflejar ~ 93% de la luz solar. Produjeron estas fibras bioinspiradas utilizando dos materiales: un material natural seda regenerada, es decir, precursor líquido de sedafibras y un polímero sintético difluoruro de polivinilideno. Mientras que el primero es adecuado para aplicaciones que requieren biocompatibilidad, el segundo es adecuado para la producción de alto rendimiento.
"La principal diferencia entre nuestras fibras bioinspiradas y las fibras utilizadas universalmente para textiles y prendas de vestir es que las fibras bioinspiradas contienen nanoestructuras de ingeniería, mientras que las fibras convencionales tienen un núcleo sólido", dijo Yu. "La capacidad de la ingeniería estructural en el pequeñoLa sección transversal de una fibra a través de un proceso de hilado de fibra de alto rendimiento y alto rendimiento abre una nueva dimensión de diseño: podemos infundir funciones ópticas y termodinámicas completamente nuevas en fibras y textiles compuestos de tales fibras. Podríamos transformar lo sintéticoindustria de la fibra! "
Estas fibras bioinspiradas podrían usarse para hacer ropa de verano ultradelgada con propiedades de "aire acondicionado". Solo unas pocas capas de las fibras podrían hacer un textil totalmente opaco que es una fracción de una hoja de papel de grosor. Sin embargo, noNo se vuelva translúcido cuando el usuario suda, lo cual es un problema común con los textiles convencionales. Si bien el sudor reduce la opacidad de los tejidos comunes al reducir el número de interfaces de fibra-aire que reflejan la luz, no afectaría los huecos de aire a nanoescala incrustados en elfibras bioinspiradas Además, la ropa ultrafina hecha de fibras "porosas" promovería el enfriamiento a través de una combinación de evaporación del sudor, flujo de aire entre el microambiente del cuerpo humano y el exterior, y radiación de calor corporal al ambiente externo."Por lo tanto, su ropa podría brindarle la mejor experiencia de enfriamiento a través del efecto colectivo del enfriamiento evaporativo, convectivo y radiativo", agregó Yu.
La polilla del cometa Madagascar es una de las más grandes del mundo, con capullos de 6 a 10 cm de longitud. Las orugas hacen sus capullos en la copa de los árboles de Madagascar, con mucha luz solar que podría calentar drásticamente las pupas si sus capullosCatherine Craig, directora de la ONG Conservación a través de la mitigación de la pobreza, internacional, llamó la atención de Yu sobre el hecho de que no poseía su brillo metálico reflectante, estas extraordinarias fibras, cuyos huecos de aire filamentosos podrían ser el resultado de una selección natural para evitar el sobrecalentamiento.Los agricultores rurales de Madagascar desarrollarán medios de vida sostenibles que apoyen tanto a las personas como a los ecosistemas mediante el cultivo y la comercialización de recursos nativos, siendo un producto las fibras producidas por las orugas de la polilla del cometa.
Yu está trabajando actualmente para aumentar el rendimiento de la producción de tales fibras nanoestructuradas bioinspiradas. Su laboratorio quiere lograr esto con modificaciones mínimas a la práctica común de extracción de fibra industrial.
"No queremos cambiar drásticamente esas máquinas gigantescas de hilatura de fibra en uso en toda la industria", dijo Yu. "En cambio, queremos introducir giros inteligentes a algunos pasos o componentes críticos para que estas máquinas puedan producir nanoestructurados, en lugar desólido, fibras "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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