蚕丝纤维可能代表天然的超材料，能够进行光限制

最新研究表明，来自蚕茧的纤维可能代表“天然超材料”，这一发现具有各种技术和科学意义。普渡大学图像/ Young Kim

新的研究表明，蚕纤维的纳米结构是如何引起“安德森光的局部化”的，这一发现可能导致各种创新，并更好地理解光的传输和传热。

这一发现还可以帮助创造出能够实现这种现象的合成材料和结构，以诺贝尔奖获得者菲利普·安德森（Philip Anderson）的名字命名。菲利普·安德森的理论描述了电子如何由于其“散射和缺陷”而完全停止在材料中。新发现与电子无关，而与光传输有关。

研究人员证明了丝纤维的纳米结构如何能够进行光“约束”，这种特性可以提供一系列技术应用，包括将光用于新型医学治疗和生物传感的创新。普渡大学的韦尔登生物医学工程学院副教授扬·金说，这种在生物和天然组织中的光限制作用是出乎意料的，这是由于安德森光的局限性所致。

金说，新发现表明丝纤维可能代表“天然超材料”和“天然超结构”。

各个研究小组已经创建了能够对光进行超高效控制的合成“超材料”。但是，超材料具有局限性，因为它们通常难以按比例扩大规模以进行商业生产并带来其他挑战。由于丝绸的纳米结构是“无序的”，而不是精心设计的周期性结构，因此，研究结果提出了一种生产超材料的策略，这种超材料的制造和制造成本更低，并且更易于工业推广。

“这令人着迷，因为实现安德森光的定位非常具有挑战性，但是我们现在知道，可以使用不规则，无序的纳米结构来创建高度填充的纳米材料，以产生强烈的光散射，因为蚕会产生蚕丝纤维并旋转茧壳。自然”，金说。

研究结果在周三（1月31日）发表在《自然通讯》杂志上的一篇论文中进行了详细介绍。该论文的主要作者是普渡大学博士后研究助理Seung Ho Choi。

金正说：“我们的发现可能为超材料和超结构打开新的可能性。”金正正进行研究，以更好地理解丝绸的白色，银色和光泽反射的根本原因。“我知道这是一个矛盾的词，但我们说的是蚕丝纤维代表'天然超材料'和'天然超结构。”

蚕丝纤维的直径为10-20微米，并包含成千上万个细小的纳米原纤维，每根大约100纳米宽。从角度看，人发的直径大约为100微米。

蚕丝纤维内部有许多“散射中心”。由于纳米结构的无序性，这种光散射导致了安德森定位。

“丝绸具有许多纳米纤维，它们会偶尔散射光，”金说。

为了使安德森定位发生，散射光波之间必须同时存在散射和干涉。密集堆积的不规则纳米结构会导致光波互相干扰，有时以破坏性方式，有时以建设性方式。如果是建设性的，则光线会增强。

崔说：“如果波有建设性地干涉，这将在无序的介质内部形成很高的能量。”

纳米原纤维的小尺寸和大致平行的排列有利于该效果。当存在多个散射中心并且其大小与光的波长相当时，散射能力将最大化，这两个条件都可以在丝纤维中找到。

商业光纤必须专门设计有反射涂层或包层，以限制光线，而丝绸纤维由于安德森光线的局限性而能够自然实现壮举。Anderson本地化创建了“模式”，无需精心设计的周期性结构就可以限制光线。取而代之的是，对于无序，更多随机设计，可以进行相同的限制。

“我们发现大部分的光传输在大部分丝绸表面上消失了。然而，与直觉相反，我们发现在一个较小的区域中，能量是受约束的，而这种受约束的能量是通过局部模式传输的。”“本地化模式是能量流动的独特途径。”

尽管诸如丝绸之类的生物结构会散射光，但具有相似微结构的其他天然材料却不具备局限性模式，这使得安德森对光的局限性成为可能。

“这种差异使丝绸对于辐射热传递特别有趣。”金说。蚕丝对红外光具有高发射率，这意味着它容易辐射热量或红外辐射，同时又是太阳光的良好反射器。由于来自安德森定位的强反射率与生物分子在红外辐射中的高发射率相结合，因此丝绸辐射出的热量多于其吸收的热量，因此非常适合被动或“自冷却”。

金说：“您可能听说过，丝绸内衣可以使您在夏天凉爽，在冬天凉爽。”“我们已经了解了这一观察结果的基本机制。”

这项工作是由普渡大学的韦尔登生物医学工程学院的研究人员领导的；韩国国立农业科学研究所农业生物学系；以及美国空军研究实验室的材料和制造局。摘要中提供了合著者的完整列表。

金说：“我们的发现可能会为工程，能源和生物医学领域打开很大程度上未开发的机会。”“但是，尽管可以直接应用，但我们确实希望向丝绸学习，以帮助将来开发材料合成和设计流程。”

出版物：Seung Ho Choi等人，“安德森（Anderson）光在本地丝绸生物纳米结构中的定位”，《自然通讯》，第9卷，文章编号：452（2018）doi：10.1038 / s41467-017-02500-5

资料来源：埃米尔·韦纳雷（Emil Venere），杨普L（L. L. Kim），普渡大学