6 Minutės
Cornell universiteto inžinieriai sukūrė tekstilę, sugeriančią beveik visą šviesą—99,87 % jos—kurdamas vieną iš tamsiausių audinių istorijoje. Šis atradimas apjungia biomimikriją, polimerų cheminią technologiją ir nanoskalės paviršių inžineriją, kad gautų ultrajuodą merino vilną, tinkamą tiek mados, tiek funkciniams pritaikymams. Tai nauja ultrajuodos tekstilės karta, kurioje susijungia optinė absorbcija, nanostruktūrų valdymas ir skalavimo galimybės į pramoninę gamybą.
Kaip mokslininkai pavertė vilną ultrajuodu materialu
Ultrajuodo paviršiaus pasiekimas nėra dėmių ar tamsesnio dažiklio klausimas. Vietoje to Cornell komanda pakeitė, kaip audinys sąveikauja su šviesa nanoskale. Pradiniu etapu jie ėmė baltą merino mezginį ir jį panardino į sintetinį melanino polimerą, vadinamą polidopaminu. Ši polimero danga cheminiu lygmeniu patamsino pluoštus ir padidino absorbciją matomo diapazono bangose, tačiau svarbiausias žingsnis buvo struktūrinis: audinys pateko į plazminio ėsdinimo kamerą, kur mokslininkai išskaptavo nanofibrilus—mikroskopines, plauku primenančias keteras—ant pluošto paviršių.
Suknelė, sukurta Zoe Alvarez, įkvėpta puošniojo riflebirdo, iš dalies pagaminta iš įrašo tamsiausios medžiagos (tamsi juoda juosta aplink mėlyną centrą).
Minėtieji smulkūs fibrilai veikia kaip fotonų spąstai. Kaip paaiškino pluošto mokslininkas ir dizaineris Hansadi Jayamaha, kuris dalyvavo projekte, „šviesa iš esmės atsispindi atgal ir vėl tarp fibrilų, vietoje to, kad išeitų atgal į aplinką—tai ir sukuria ultrajuodą efektą“. Šis pasikartojantis vidinis sklaidos ciklas efektyviai sumažina atspindį, todėl paviršius vizualiai atrodo itin mažo atspindžio ir beveik be šviesos grąžinimo.
Mikroskopinės nuotraukos, rodantys neapdorotos baltos merino vilnos (e1) ir dažytos, plazma apdorotos vilnos (e5–e8) struktūrą.
Gamta kaip šablonas: puošnusis riflebirdas
Komanda pasiskolino įkvėpimą iš puošniojo riflebirdo (Ptiloris magnificus), Naujosios Gvinėjos ir šiaurinių Australijos paukščio, garsėjančio blizgančiu mėlynai žaliu krūtų plunksnų centru, supamu beveik juodomis plunksnomis. Šiame paukštyje plunksnų mikrostruktūra slopina sklaidytą šviesą ir padidina vizualinį kontrastą tarp blizgančių ir juodų zonų. Cornell audinys imituoja tą mikrostruktūrinį triuką—tačiau su pagerintu kampiniu veikimu: riflebirdo juoda atrodo tamsiausia žiūrint tiesiai, bet tampanti atspindesnė didesniais kampais; inžinerinė tekstilė išlaiko žemą atspindį iki maždaug 60 laipsnių abiem kryptimis, todėl suteikia platesnį naudingą žiūrėjimo kampą mados ir optikos pritaikymams.
.avif)
Patinas puošnusis riflebirdas
Kur tai dera tarp ultrajuodų technologijų
Naujoji merino vilna nėra absoliuti tamsiausia žinoma medžiaga—Vantablack yra garsus dėl maždaug 99,96 % incidentinės šviesos absorbcijos, o vėlesnė MIT sukurta anglies nanovamzdelių struktūra teigiamai pasiekė net 99,995 % absorbciją. Tačiau aukštos klasės medžiagos dažnai būna brangios, ribojamos kietų substratų arba sudėtingos masteliui. Cornell požiūris remiasi prieinama merino vilna ir skalaujamais cheminiais bei plazminio ėsdinimo procesais—procesais, kuriuos mokslininkai teigia galinčiais adaptuoti didesnės apimties tekstilės gamybai, taupant kaštus ir išlaikant lankstumą bei dėvimumą.
Be to, tyrėjai demonstravo ir praktinį pritaikymą: mados dizaino studentė Zoe Alvarez sukūrė suknelę, kuri palaipsniui tamsėja ir kulminaciją pasiekia ultrajuoda juosta, apjuosiančia ryškų mėlynai žalią centrą, atkartodama riflebirdo plunksnų kompoziciją. Šis dizainas parodo, kad medžiaga gali būti integruota į dėvimus drabužius ir vizualinius sprendimus, neapsiribojant vien laboratoriniais pavyzdžiais ar mėginiais, bei atveria galimybes mados industrijai kurti naujus estetinius efektus ir scenografinius elementus.
Pritaikymas ir pasekmės
Už mados ribų, ultrajuodos tekstilės turi potencialo optinėse sensorių sistemose, šiluminio valdymo sprendimuose, bei teatro ir ekranų gamybos pramonėje, kur itin svarbu kontroliuoti nepageidaujamą sklaidą ir „šiukšlinę“ šviesą. Medžiagos, kurios efektyviai sulaiko šviesą, taip pat gali pagerinti instrumentų jautrumą mokslinėse kamerose, teleskopuose ir spektriniuose detektoriuose arba sumažinti akinimą architektūrinėse apdailose ir interjero sprendimuose. Kadangi procesas remiasi prieinamais polimerais ir plazminiu ėsdinimu, kelias į pramoninį panaudojimą atrodo perspektyvus—tačiau ilgaamžiškumas, skalbimo atsparumas, ultragarsinis arba mechaninis dėvėjimas ir didelio masto gamybos logistika reikalauja nuodugnių bandymų ir standarto kūrimo.
Tyrimas, publikuotas žurnale Nature Communications, nepretenduoja į „galutinę juodą“, tačiau demonstruoja praktišką kelią beveik visiškai absorbuoti šviesai lanksčiuose, dėvimuose pluoštuose. Dizaineriams, inžinieriams ir instrumentų kūrėjams tai atveria naują ultramažo atspindžio medžiagų paletę, kuri yra žymiai paprasčiau gaminama nei daugelis ankstesnių ultrajuodų technologijų, ypač ten, kur reikalingas lankstumas ir kontaktas su oda.
Iš techninio požiūrio, procesas apima kelis tarpusavyje susijusius etapus: pirmiausia cheminis polidopamino padengimas, kuris suteikia pradines optines savybes; tuomet plazminis ėsdinimas, kuris suformuoja mikroskopines nanostruktūras; galiausiai paviršiaus stabilizavimas ir galimas papildomas apdorojimas, skirtas patobulinti atsparumą drėgmei ir cheminiam poveikiui. Kiekvienas iš šių etapų yra kritinis siekiant užtikrinti pastovų 99,87 % absorbcijos rodiklį nominaliomis testavimo sąlygomis, tačiau realiame pasaulyje performansą gali įtakoti drėgmė, mechaninis stresas ir UV ekspozicija.
Be to, vertinant komercinį potencialą, reikėtų atsižvelgti į ekologinius ir reguliavimo aspektus: polidopaminas, nors artimas natūraliam melanino atitikmeniui, yra sintetinė medžiaga, kurios gamybos ir šalinimo ciklus vertėtų optimizuoti pagal tvarumo kriterijus. Taip pat plazminis ėsdinimas reikalauja specializuotos įrangos ir energijos sąnaudų, todėl pritaikant procesą masinei gamybai reikės balansavimo tarp energijos vartojimo, gamybos greičio ir medžiagos savybių stabilumo.
Optinėje inžinerijoje ši medžiaga gali būti naudojama siekiant pagerinti matavimo įrenginių signalą prie triukšmo santykio mažinant pašalinį atspindį, ypač kur reikia plokščių, lankstų arba formuojamų absorbcinių sluoksnių. Pavyzdžiui, fotonikos moduliuose ir mobiliuose jutikliuose ultrajuoda tekstilė galėtų pakeisti tradicinius kietuosius absorbcinius dangus, ypač kai reikalingas lankstumas arba kontaktas su netaisyklingomis paviršiaus geometrijomis.
Tolesni etapai turėtų apimti standartiškus bandymus pagal tarptautinius atspindžio ir skalbimo atsparumo protokolus, ilgaamžiškumo testus UV spinduliavimo sąlygomis ir mechaninio tamprumo tyrimus. Taip pat svarbu ištirti, kaip tokius audinius galima derinti su kitais pluoštais ir apdailos technologijomis, pavyzdžiui, laminavimu, siuvimu ir elektroninių komponentų integravimu, išlaikant optines savybes ir dėvėjimo patogumą.
Galiausiai, šis Cornell universiteto darbas atspindi platesnę tendenciją materialiologijoje ir tekstilės inžinerijoje: biologinių sistemų mikrostruktūrų imitavimas (biomimikrija) kartu su pažangiomis paviršių apdorojimo technologijomis gali atverti naujas funkcines savybes tradicinėms medžiagoms. Ultrajuoda merino vilna yra pavyzdys, kaip tradicinis natūralus pluoštas gali įgyti sudėtingų optinių savybių per modernius paviršiaus apdorojimo metodus, siūlydama tiek dizaino, tiek technologines inovacijas tekstilės pramonėje.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą