Los nuevos descubrimientos sobre la seda de araña podrían inspirar materiales novedosos para manipular el sonido y el calor de la misma manera que los circuitos semiconductores manipulan los electrones, según los científicos de la Universidad de Rice, en Europa y en Singapur.
un papel en Materiales de la naturaleza hoy observa la estructura microscópica de la seda de araña y revela características únicas en la forma en que transmite fonones, cuasipartículas de sonido.
La investigación muestra por primera vez que la seda de araña tiene una brecha de banda de fonones. Eso significa que puede bloquear las ondas de fonones en ciertas frecuencias de la misma manera que una brecha de banda electrónica, la propiedad básica de los materiales semiconductores, permite que algunos electronespasa y detiene a otros.
Los investigadores escribieron que su observación es el primer descubrimiento de una "brecha de banda fonónica hipersónica en un material biológico".
Según el científico de materiales y el ingeniero de arroz Dean Edwin Thomas, quien es coautor del artículo, aún no se comprende cómo la araña usa esta propiedad, sugiere que la microestructura cristalina de la seda de araña podría serreplicado en otros polímeros. Eso podría permitir metamateriales dinámicos y sintonizables como guías de ondas fonónicas y sonido novedoso o aislamiento térmico, ya que el calor se propaga a través de los sólidos a través de los fonones.
"Los fonones son ondas mecánicas", dijo Thomas, "y si un material tiene regiones de diferente módulo elástico y densidad, entonces las ondas perciben eso y hacen lo que hacen: se dispersan. Los detalles de la dispersión dependen de la disposición yacoplamientos mecánicos de las diferentes regiones dentro del material del que están dispersando "
Las arañas son expertas en enviar y leer vibraciones en una red, usándolas para localizar defectos y saber cuándo llega la "comida". En consecuencia, la seda tiene la capacidad de transmitir una amplia gama de sonidos que los científicos creen que la araña puede interpretarde varias maneras, pero los investigadores encontraron que la seda también tiene la capacidad de amortiguar algo de sonido.
"La seda Araña tiene muchas microestructuras diferentes e interesantes, y nuestro grupo descubrió que podíamos controlar la posición de la brecha de banda cambiando la tensión en la fibra de seda", dijo Thomas. "Hay un rango de frecuencias que sonno se permite propagar. Si transmite sonido a una frecuencia particular, no entrará en el material ".
En 2005, Thomas se asoció con George Fytas, científico de materiales de la Universidad de Creta y el Instituto de Estructura Electrónica y Fundación Láser para Investigación y Tecnología-Hellas, Grecia, en un proyecto para definir las propiedades de los cristales fonónicos hipersónicos.En ese trabajo, los investigadores midieron la propagación de fonones y detectaron brechas de banda en cristales de polímeros sintéticos alineados a intervalos regulares.
"Los cristales fonónicos te dan la capacidad de manipular las ondas sonoras, y si obtienes un sonido lo suficientemente pequeño y a frecuencias suficientemente altas, estás hablando de calor", dijo Thomas. "Ser capaz de hacer que el calor fluya de esta manera y no asío hacer que no pueda fluir en absoluto, significa que estás convirtiendo un material en un aislante térmico que antes no era ".
Fytas y Thomas decidieron echar un vistazo más detallado a la seda dragline, que las arañas usan para construir el borde exterior y los radios de una telaraña y como una línea de vida. Una araña suspendida en el aire se aferra a una dragline. Aunque la seda ha sido estudiadadurante miles de años, solo recientemente ha sido analizado por sus propiedades acústicas.
La seda es una estructura jerárquica compuesta de una proteína, que se pliega en láminas y forma cristales. Estos cristales de proteínas duras están interconectados por cadenas amorfas más suaves, dijo Thomas. Estirar o relajar las cadenas de interconexión cambia las propiedades acústicas de la seda ajustando la mecánicaacoplamiento entre los cristales.
El equipo de Fytas en el Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros en Mainz, Alemania, realizó experimentos de dispersión de luz de Brillouin para probar la seda colocada bajo diversos grados de estrés. "Ese fue el genio de George", dijo Thomas. "Con la dispersión de Brillouin, usted usaluz para crear fonones, así como para absorberlos de la muestra. BLS le permite ver cómo se mueven los fonones dentro de cualquier objeto, dependiendo de la temperatura y la microestructura del material ".
Descubrieron que cuando la seda estaba "supercontraída", la velocidad de los fonones disminuía en un 15 por ciento, mientras que el ancho de banda de las frecuencias que podía bloquear aumentaba en un 31 por ciento. Por el contrario, cuando se tensó, la velocidad aumentó en aproximadamente un 27 por ciento, mientras que el ancho de bandadisminuyó en un 33 por ciento. Primero observaron una brecha de banda en la seda nativa sin contraer a aproximadamente 14.8 gigahercios, con un ancho de aproximadamente 5.2 gigahercios.
Igual de interesante para el equipo fue la "región única de velocidad de grupo negativa" que presenciaron. En estas condiciones, a pesar de que las ondas fonónicas se movieron hacia adelante, la velocidad de fase se movió hacia atrás, dijo Thomas. Sugirieron que el efecto puede permitir el enfoquede fonones hipersónicos.
"En este momento, no sabemos cómo hacer nada de esto en otros materiales de fibra macromolecular", dijo Thomas. "Ha habido una gran cantidad de investigación sobre polímeros sintéticos como el nylon, pero nadie ha encontrado una brecha de banda".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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