Nanostruktur von Seide kann Licht einfangen
"Natürliches Metamaterial" hat großes technisches Potenzial
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Seide: Material hat erstaunliche Eigenschaften (Foto: Young Kim, purdue.edu) |
West Lafayette (pte003/05.02.2018/06:10) Die Nanostruktur von Seide ist Forschern der Purdue University http://purdue.edu zufolge äußerst bemerkenswert. Denn das Material kann Licht praktisch lokal einfangen, was technische Anwendungsmöglichkeiten beispielsweise in der Medizin und Biosensorik eröffnen könnte. Der Effekt ist auch insofern spannend, als dass eine derart präzise Kontrolle von Licht bisher nur mit speziell konstruierten, künstlichen Metamaterialen möglich schien - Seide also praktisch als "natürliches Metamaterial" erscheint.
Viel Licht auf wenig Raum
Die Forscher haben in Seide eine "Anderson-Lokalisierung von Licht" beobachtet. Ursprünglich bezeichnet der Ausdruck ein Unterdrücken von Elektronenbewegungen in einem Material. Analog dazu führt die Nanostruktur der Seide durch die Streuung und Interferenz von Licht dazu, dass dieses weitgehend verschwindet, aber in einem sehr begrenzten Bereich stark verstärkt wird. "Das ist faszinierend, da eine Anderson-Lokalisierung von Licht extrem schwer zu erreichen ist", sagt Young Kim, Biophotoniker an der Purdue. In der Seide sind dafür offenbar die tausenden, nur 100 Nanometer großen Nanofibrillen an jeder Faser verantwortlich.
Das Auftreten des Effekts in einem "unordentlichen" natürlichen Material ist eine Überraschung. Eine vergleichbar präzise Kontrolle über Licht war bislang nur von künstlich gefertigten Metamaterialien mit sehr präziser, regelmäßiger Struktur bekannt. "Eigentlich ist das ein Selbstwiderspruch, aber wir sagen, dass Seidenfasern ein 'natürliches Metamaterial' mit 'natürlichen Metastrukturen' darstellt", meint Kim. Das könnte weitreichende Konsequenzen haben. Denn Metamaterialien nach Seiden-Vorbild könnten günstiger zu fertigen sein - und das auch in großen Mengen für industrielle Anwendungen.
Seidenwäsche erklärt
"Sie haben vermutlich gehört, dass Seidenunterwäsche im Sommer kühl und im Winter warm halten kann", so Kim. "Wir haben den zugrundeliegenden Mechanismus gefunden." Denn die Biomoleküle in Seide strahlen gut Infrarot, also Wärme, ab. Zugleich macht die Anderson-Lokalisierung das Material hochreflektiv. Seide strahlt also mehr Wärme ab, als sie aus dem Sonnenlicht aufnimmt, was sie ideal für passive Kühlung macht.
Welche Folgen die Entdeckung hat, bleibt abzuwarten. Das "Einfangen" von Licht könnte den Forschern zufolge beispielsweise für neuartige medizinische Therapien oder Biosensoren interessant sein. Allerdings wird dabei nicht unbedingt echte Seide zum Einsatz kommen. "Wenngleich direkte Anwendungen möglich sein könnten, wollen wir vor allem von Seide lernen, um bei der künftigen Entwicklung von Materialsynthese- und -designprozessen zu helfen."
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