Перья впечатляют не только эстетически, но и с точки зрения широкой функциональности. Они помогают птицам летать, регулировать температуру тела, защищаться от врагов и привлекать партнеров. Одним из секретов перьев является их сложная наноструктура, которая определяет их цвет, блеск, прочность и гидрофобность.
Одна из самых интересных с точки зрения сложности наноструктуры перьев птиц — восточная синица, или синий дрозд. Его перья имеют уникальный синий цвет, который обусловлен не пигментами, а особой структурой пера. При микроскопическом рассмотрении перья пронизаны сетью каналов диаметром всего несколько сотен нанометров. Эти каналы действуют как дифракционная решетка, которая рассеивает свет и создает интерференционные полосы. В зависимости от угла падения света, перья могут менять свой оттенок от голубого до фиолетового.
Ученые из Цюрихского политехнического института (ETH Zurich) заинтересовались структурой перьев восточной синицы и решили воссоздать ее в лаборатории. Они использовали новый подход, разработав материал, имеющий ту же структурную конструкцию, что и перья птицы, а также потенциал для практического применения благодаря структурным наносетям.
Кусок полимера помещают в масляный раствор и нагревают. Это заставляет полимер и масло смешиваться и образовывать сетку. Если впоследствии материал охладить до комнатной температуры, можно идентифицировать сетку, созданную в результате разделения фаз.
Для создания нового материала исследователи использовали прозрачную и эластичную силиконовую резину. Они поместили ее в масляный раствор и оставили набухать в течение нескольких дней в печи при температуре 60 градусов Цельсия. Затем они охладили материал и извлекли резину из масляного раствора. Под микроскопом в этот момент можно было видеть, как наноструктура резины изменилась в ходе процедуры. Полученная в ходе реакции наноструктура придавала искусственному материалу синий цвет так же, как это происходит в природе. Основное же отличие состоит в толщине каналов, которые образуются — перо птицы измеряется примерно 200 нанометрами, а синтетический материал — 800.
Принцип в основе формирования сети, — фазовое разделение. Аналогичное явление можно наблюдать на кухне с салатным соусом из масла и уксуса. Смешать две жидкости не так просто и легче всего добиться этого, сильно их встряхивая. Жидкости снова раздеятся, как только встряхивание прекратится. Однако также можно смешать их с помощью нагревания, а затем охлаждения, чтобы снова разделить их. Это именно тот принцип, который применили ученые, чтобы смешать силиконовую резину и масляный раствор. Это привело к образованию целой сети микроскопических каналов.
Мы можем контролировать и выбирать условия таким образом, что каналы формируются во время фазового разделения. Мы смогли остановить процесс до того, как две фазы снова полностью слились. Созданная нами канальчатая структура очень похожа на структуру перьев птиц. Преимущество нового метода заключается в том, что материал остается масштабируемым, даже при размере в несколько сантиметров.
— Ведущий автор работы Карла Фернандес Рико.
Потенциал применения
Новый материал имеет различные потенциальные применения в области энергетики, фильтрации, оптики и биомедицины. Например, он может быть использован в качестве электрода для литий-ионных батарей, так как его наносети обеспечивают большую поверхность для хранения и передачи электричества.
Материал можно использовать для очистки воды от загрязнений, поскольку его каналы способны служить мембранами, пропускающими только определенные молекулы. Кроме того, он может применяться для создания оптических устройств, таких как дисплеи, лазеры и солнечные батареи, которые могут менять цвет в зависимости от угла зрения. Наконец, он позволяет имитировать биологические ткани, такие как кожа, кости и хрящи, которые также имеют сложную наноструктуру.
