蚕丝纤维再放异彩，已被证明为“天然超材料”

新的研究表明，蚕丝纤维可能是一种新的“天然超材料”，这一发现无论是在技术方面还是科学方面都具有重大意义。 图片来源：Purdue University image/Young Kim

      新的研究已经发现了蚕丝纤维的纳米结构是如何引起“安德森光定位”现象的，这一发现可能会引起一系列技术上的创新，并且能够帮助人们更好地理解光传输和传热。

另外，这一发现还有助于制备出以诺贝尔奖获得者Philip Anderson的名字命名的合成材料及结构，这种合成材料和结构能产生“安德森光定位”现象。Philip Anderson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。新的发现不再是仅仅涉及电子，而是涉及到光的传输。

研究人员介绍了蚕丝纤维的纳米结构是如何能够“封闭”光的，这种特性可以满足一系列的技术应用，包括利用光源进行新型医疗疗法和生物传感的创新。 普渡大学威尔登生物医学工程学院的副教授Young Kim说，在生物和自然组织中，这种意想不到的光限制效应是通过安德森光定位实现的。

Kim还说道，新的研究结果表明，蚕丝纤维可能代表着一种新的“天然的超材料”和“天然的显微结构”。

目前为止，很多研究小组已经创造出能够超高效控制光线的合成“超材料”。然而，合成超材料是具有局限性，因为它们通常难以实现大规模商业生产。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，这一发现提出了一种制造超材料的策略，这种超材料的制造成本较低，并且易于扩大生产。

Kim说道“因为实现安德森的光定位是非常具有挑战性的，所以完成这一挑战非常令人着迷，但我们现在知道用不规则、无序的纳米结构创造出高度填充的用于强光散射的纳米材料是可以实现的，这中材料就像自然界中蚕制造的蚕丝纤维一样。”

这一研究结果已在1月31日发表在“自然通讯”杂志上。 该论文的主要作者是普渡大学博士后研究员Seung Ho Choi

Kim先生目前正在带领着研究小组研究探索丝绸白色，银色和光泽反射的深层原因，他说道：“我们的研究结果可能为超材料和显微结构开辟新的可能性。我知道这是一个矛盾，但我们的研究结果已经表明蚕丝纤维就能代表’天然的超材料’和’天然的显微结构’”

蚕丝纤维的直径约为10-20微米，含有数千个微小的纳米纤丝，每个纤维的直径大约为100纳米。相对而言，人的头发直径大约为100微米，约为蚕丝纤维的十倍。

并且，每根蚕丝纤维里面都有许多“散射中心”。而安德森光定位现象就是来自这种由于纳米结构的紊乱而产生的光散射。

Kim说：“蚕丝纤维里面有许多纳米纤维，这些纳米纤维可以分散光线。”

对于安德森光定位的发生，光波之间必然存在散射和干涉。密集的不规则纳米结构会导致光波相互干扰，有时是有害的，有时是有益的。如果有益的话，光线就会加强。

Choi说道：“如果光波之间的相互影响是有益的，这在无序的介质内形成了非常高的能量。”

纳米纤维的小尺寸和大致平行排列有利于该效果。 当有许多散射中心和它们的尺寸与光的波长相当时，散射能量是最大的，这两个标准都是在蚕丝纤维中发现的。

对商用光纤而言，其必须专门设计反射涂层或包层，以允许光线的封闭。但由于安德森光定位现象，蚕丝纤维能够自然地实现光封闭。安德森定位创造了没有精心设计的周期性结构也能使光的封闭成为可能的模式。相反，对于无序的，更随机的设计，同样的限制也是可能的。

Kim说：“我们发现大部分蚕丝表面的大部分光线都消失了，然而，与我们的直觉相反的是，在一个小范围内，我们发现能量是局限的，而且这种受限的能量是通过局部模式传递的。定位模式是一个独特的能源流通途径。”

虽然很多生物结构也能像蚕丝一样进行漫射光，然而其他具有类似微结构的天然材料却并不会出现安德森光定位现象。

Kim说道： “这种差异使得蚕丝特别容易对辐射传热。”丝绸对红外光具有高发射率，这意味着它容易散发热量或红外辐射，同时又是太阳光的良好反射器。 由于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，蚕丝的辐射热量比吸收的热量要多，因此非常适合被动或“自冷却”。

Kim说：“你可能听说过丝绸内衣可以让你夏天凉爽，冬天更温暖。 我们已经知道了这个观点背后的基本机制。”

这项工作由普渡大学威尔登生物医学工程学院的研究人员领导，由韩国国家农业科学研究所农业生物学系和美国空军研究实验室的材料和制造理事会共同完成，并且在论文的摘要中提供了一个完整的合作作者的名单。另外，这项工作是由韩国农业科技发展合作研究计划和美国空军科学研究办公室资助的。

Kim说：“我们的发现可能会为工程、能源和生物医学领域带来大量未曾探索的机会。但是，虽然直接应用是可能的，但在未来我们真的想从蚕丝中学习去帮助开发材料合成和设计过程。”