En 2013, científicos de materiales en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard SEAS y el Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada, cultivaron un jardín de microestructuras de cristal autoensambladas. Ahora, matemáticos aplicados en SEAS y Wysshan desarrollado un marco para comprender y controlar mejor la fabricación de estas microestructuras.
Juntos, los investigadores usaron ese marco para desarrollar microcomponentes ópticos sofisticados.
La investigación se publica en ciencia .
Cuando se trata de la fabricación de materiales multifuncionales, la naturaleza hace que los humanos venzan por millas. Los moluscos marinos pueden incrustar estructuras fotónicas en sus conchas curvas sin comprometer la resistencia de la concha; las esponjas de aguas profundas evolucionaron los cables de fibra óptica para dirigir la luz a los organismos simbióticamente vivos; yLas estrellas británicas cubren sus esqueletos con lentes para enfocar la luz en el cuerpo para "ver" por la noche. Durante el crecimiento, estas sofisticadas estructuras ópticas sintonizan curvas pequeñas y bien definidas y formas huecas para guiar y atrapar mejor la luz.
La fabricación de formas bioinspiradas complejas en el laboratorio a menudo lleva mucho tiempo y es costosa. El avance en 2013 fue liderado por los científicos de materiales Joanna Aizenberg, la profesora Amy Smith Berylson de Ciencia de los Materiales y Química y Biología Química y miembro principal de la facultad del WyssEl instituto y ex becario postdoctoral Wim L. Noorduin. La investigación permitió a los investigadores fabricar estructuras delicadas, parecidas a flores, sobre un sustrato simplemente manipulando gradientes químicos en un vaso de precipitados. Estas estructuras, compuestas de carbonato y vidrio, forman un ramo deparedes
Lo que faltaba en esa investigación era una comprensión cuantitativa de los mecanismos involucrados que permitirían un control aún más preciso sobre estas estructuras.
Ingrese los teóricos.
Inspirado por la teoría para explicar los patrones de solidificación y cristalización, L. Mahadevan, el Profesor de Matemáticas Aplicadas, Física, y Biología Organística y Evolutiva de Lola England de Valpine, y el becario posdoctoral C. Nadir Kaplan, desarrollaron un nuevo marco geométrico para explicarcómo crecieron los patrones de precipitación anteriores e incluso predijeron nuevas estructuras.
Mahadevan también es miembro central del Instituto Wyss.
En los experimentos, la forma de las estructuras se puede controlar cambiando el pH de la solución en la que se fabrican las formas.
"A pH alto, estas estructuras crecen de manera plana y obtienes formas planas, como el costado de un florero", dijo Kaplan, coautor del artículo. "A pH bajo, la estructura comienza a curvarse y ustedobtener estructuras helicoidales "
Cuando Kaplan resolvió las ecuaciones resultantes en función del pH, con un parámetro matemático que representaba el cambio químico, descubrió que podía recrear todas las formas desarrolladas por Noorduin y Aizenberg, y crear otras nuevas.
"Una vez que entendimos el crecimiento y la forma de estas estructuras y pudimos cuantificarlas; nuestro objetivo era utilizar la teoría para elaborar una estrategia para construir estructuras ópticas de abajo hacia arriba", dijo Kaplan.
Kaplan y Noorduin trabajaron juntos para cultivar resonadores, guías de onda y divisores de haz.
"Cuando tuvimos el marco teórico, pudimos mostrar el mismo proceso experimentalmente", dijo Noorduin, coautor principal. "No solo pudimos hacer crecer estas microestructuras, sino que también pudimos demostrar su capacidad para conducir la luz"
Noorduin ahora es líder de grupo en la organización holandesa de investigación de materiales AMOLF.
"El enfoque puede proporcionar una estrategia escalable, económica y precisa para fabricar microestructuras tridimensionales complejas, que no pueden realizarse mediante la fabricación de arriba hacia abajo y adaptarlas para aplicaciones magnéticas, electrónicas u ópticas", dijo Joanna Aizenberg, co-autor del artículo
"Nuestra teoría revela que, además del crecimiento, las estructuras de carbonato-sílice también pueden doblarse a lo largo del borde de sus delgadas paredes", dijo Mahadevan, el autor principal del artículo. "Este grado adicional de libertad generalmente carece decristales convencionales, como un copo de nieve en crecimiento. Esto apunta a un nuevo tipo de mecanismo de crecimiento en la mineralización, y debido a que la teoría es independiente de la escala absoluta, puede adaptarse a otros fenómenos de crecimiento geométricamente restringidos en sistemas físicos y biológicos ".
A continuación, los investigadores esperan modelar cómo los grupos de estas estructuras compiten entre sí por productos químicos, como los árboles en un bosque que compiten por la luz solar.
La investigación fue coautora de Ling Li, Roel Sadza y Laura Folkertsma. La investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias, el Instituto Kavli de Ciencia y Tecnología Bionano de la Universidad de Harvard y Harvard MRSEC.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences . Original escrito por Leah Burrows. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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